[논문 리뷰] Understanding Noise and Interference Regimes in 5G Millimeter-Wave Cellular Networks

Mattia Rebato, Marco Mezzavilla외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 19.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 37

한 줄 요약

이 논문은 뉴욕시 기반 측정 기반 mmWave 채널 모델을 사용하여 5G mmWave 네트워크가 열노이즈 제한 영역인지 간섭 제한 영역인지 분석한다. 낮은 기지국 밀도(<30 BSs/km²)에서는 네트워크가 열노이즈 제한 영역에서 작동하고, 높은 밀도(>120 BSs/km²)에서는 간섭 제한 영역에서 작동하며, 그 사이에는 하이브리드 영역이 존재하여 적응형 조율 기법이 필요하다.

ABSTRACT

With the severe spectrum shortage in conventional cellular bands, millimeter-wave (mmWave) frequencies have been attracting growing attention for next-generation micro- and picocellular wireless networks. A fundamental and open question is whether mmWave cellular networks are likely to be noise- or interference-limited. Identifying in which regime a network is operating is critical for the design of MAC and physical-layer procedures and to provide insights on how transmissions across cells should be coordinated to cope with interference. This work uses the latest measurement-based statistical channel models to accurately assess the Interference-to-Noise Ratio (INR) in a wide range of deployment scenarios. In addition to cell density, we also study antenna array size and antenna patterns, whose effects are critical in the mmWave regime. The channel models also account for blockage, line-of-sight and non-line-of-sight regimes as well as local scattering, that significantly affect the level of spatial isolation.

연구 동기 및 목표

• 5G mmWave 셀룰러 네트워크가 주로 열노이즈에 의해 제한되는지 간섭에 의해 제한되는지 판단하는 것.
• 기지국 밀도, 안테나 어레이 크기, 전파 조건과 같은 주요 구현 매개변수들이 간섭 대 노이즈 비율(INR)에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 네트워크 밀도와 주파수 대역에 따라 구분되는 운영 영역(열노이즈 제한, 간섭 제한, 하이브리드)을 규명하는 것.
• 열노이즈 제한과 간섭 제한 작동 간 전이를 정량화하여 MAC 및 물리계층 설계를 안내하는 것.

제안 방법

• 뉴욕시에서 실시한 광범위한 전파 측정을 기반으로 한 측정 기반 통계적 채널 모델을 사용하여 28 GHz 및 73 GHz 대역을 분석한다.
• 기지국 밀도(30에서 120 BSs/km²까지 변동), 사용자 기기 밀도, 안테나 어레이 구성 등을 변화시킨 도시형 mmWave 셀룰러 네트워크 시뮬레이션을 수행한다.
• 라인오브사이트(LoS) 및 라인오브사이트 외(NLoS) 전파, 차단 효과, 국소 산산이 흩트림을 모델링하여 공간적 격리 특성을 반영한다.
• 실험적 누적분포함수(ECDF)를 사용하여 간섭 대 노이즈 비율(INR)과 신호 대 간섭 plus 노이즈 비율(SINR)을 분석한다.
• 73 GHz에서 안테나 어레이 크기(예: 8×8 대비 16×16)를 변화시켜 빔포밍 및 사이브로드 간섭 영향을 평가한다.
• 기지국 밀도 증가에 따라 5번째 및 50번째 백분위 SINR 추세를 분석하여 영역 전이 시점을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G mmWave 네트워크가 열노이즈 제한에서 간섭 제한으로 전이되는 기지국 밀도는 어느 정도인가?
• RQ2 안테나 어레이 크기와 빔포밍의 정렬성은 mmWave 시스템에서 간섭 수준과 INR에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 라인오브사이트/비라인오브사이트 링크 및 차단과 같은 전파 조건이 공간적 격리 및 간섭 수준을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 경로 손실 및 빔폭 특성의 영향으로 28 GHz와 73 GHz 대역 간의 간섭 행동은 어떻게 다를까?
• RQ5 열노이즈와 간섭이 모두 중요한 중간 영역에서 작동하는 네트워크에 가장 적합한 MAC 프로토콜은 무엇인가?

주요 결과

• 기지국 밀도가 30 BSs/km² 이하일 경우(평균 세포 반경 >103 m), 네트워크는 열노이즈 제한 영역에서 작동하므로 간섭 조율이 불필요하다.
• 기지국 밀도가 120 BSs/km²를 초과할 경우, 네트워크는 간섭 제한 영역으로 전환되어 빔포밍 또는 자원 할당 방식과 같은 간섭 조율 메커니즘이 필요하다.
• 30에서 120 BSs/km² 사이에서는 사용자들이 열노이즈 제한 또는 간섭 제한 조건을 경험할 수 있는 하이브리드 영역이 발생하며, 이에 따라 적응형 또는 하이브리드 조율 프rotocol가 필요하다.
• 73 GHz에서 안테나 요소 수를 늘릴 경우(예: 8×8에서 16×16로), 주요 빔의 정렬성 향상에도 불구하고 사이브로드 간섭이 증가하여 INR이 2–3 dB 증가한다.
• 더 큰 어레이의 높은 정렬성은 공간적 격리가 향상되어 SINR을 약 9–10 dB 향상시키지만, INR은 약간 증가함에도 불구하고 효과적이다.
• 50번째 백분위 SINR 기준으로 열노이즈 제한에서 간섭 제한으로의 전이 시점은 30에서 60 BSs/km² 사이에 발생하며, 5번째 백분위 기준으로는 60에서 90 BSs/km² 사이에 발생하여 사용자 위치와 링크 품질에 민감함을 시사한다.