[논문 리뷰] Uplink Capacity and Interference Avoidance for Two-Tier Cellular Networks

Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G. Andrews|arXiv (Cornell University)|2007. 02. 23.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 유니버설 주파수 재사용을 갖는 이중 티어 CDMA 네트워크에서 타임호핑 CDMA와 세그먼트 안테나를 사용하여 업링크 용량 분석 및 간섭 회피 전략을 제안한다. 이 기법들은 교차 티어 간섭을 완화하며, 분할 스펙트럼과 온디렉셔널 안테나 시스템 대비 펌토셀 기지국 밀도를 최대 7배 높일 수 있음을 입증한다. 이는 장애 조건 하에서도 네트워크 용량을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Two-tier femtocell networks-comprising a conventional macrocellular network plus embedded femtocell hotspots- offer an economically viable solution to achieving high cellular user capacity and improved coverage. This paper develops an uplink capacity analysis and interference avoidance strategy in such a two-tier CDMA network with universal frequency reuse. We evaluate a network-wide area spectral efficiency metric called the Operating Contour (OC) defined as the combinations of the average macrocell users and femtocell BS per cell-site that meet a target outage constraint. A contribution of this work is an accurate characterization of the uplink outage probability taking cross-tier power control, path-loss and shadowing into account. Considering worst case interference at a corner femtocell, results reveal that interference avoidance through a time-hopped CDMA physical layer and sectorized antennas allows about a 7x higher femtocell BS density, relative to a split spectrum network with omnidirectional femtocell antennas. These results provide guidelines for the design of robust shared spectrum two-tier networks.

연구 동기 및 목표

• 유니버설 주파수 재사용과 공유 스펙트럼을 갖는 이중 티어 펌토셀 네트워크의 업링크 용량을 분석하기 위해.
• 특히 악조건 하에서 가장 도전적인 조건을 겪는 모서리 펌토셀에서 매크로셀이 펌토셀으로 유도하는 교차 티어 간섭 문제를 다루기 위해.
• 목표 장애 성능을 유지하면서 펌토셀 기지국 밀도를 최대화하는 간섭 회피 전략을 개발하기 위해.
• 기존의 분할 스펙트럼 및 온디렉셔널 안테나 접근 방식에 비해 고급 물리계층 기술의 성능 향상을 정량화하기 위해.
• 장애 조건 하에서 영역 스펙트럼 효율성을 네트워크 전체적으로 측정하는 데 사용되는 운영 윤곽(OC) 지표를 정의하고 평가하기 위해.

제안 방법

• 저자는 교차 티어 전력 제어, path-loss, 그리고 로그노멀 샤도잉 영향을 포함시켜 업링크 장애 확률을 모델링한다.
• 운영 윤곽(OC)을 매크로셀 사용자 부하와 펌토셀 기지국 밀도가 목표 장애 확률을 충족하는 조합의 집합으로 정의한다.
• 분석은 가장 악조건의 간섭 상황에서 발생하는 모서리 펌토셀을 중심으로 하며, 이는 가장 도전적인 배치 조건을 대표한다.
• 타임호핑 CDMA는 매크로셀 및 펌토셀 티어 간 동일 주파수 간섭을 감소시키기 위한 물리계층 기법으로 사용된다.
• 세그먼트 안테나는 펌토셀 전송을 공간적으로 분리하고 이웃 셀로의 간섭 누출을 줄이기 위해 사용된다.
• 성능는 동일한 스펙트럼 및 전력 제약 조건 하에서 온디렉셔널 펌토셀 안테나를 갖는 분할 스펙트럼 네트워크와 비교하여 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 교차 티어 간섭은 유니버설 주파수 재사용을 갖는 이중 티어 CDMA 네트워크에서 업링크 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 악조건의 간섭 조건 하에서 목표 장애 확률을 유지하기 위해 가능한 최대 펌토셀 기지국 밀도는 얼마인가?
• RQ3 타임호핑 CDMA와 세그먼트 안테나는 기존의 분할 스펙트럼 및 온디렉셔널 안테나 시스템에 비해 펌토셀 배치 밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 장애 조건 하에서 매크로셀 사용자 부하와 펌토셀 기지국 밀도 간의 트레이드오프를 운영 윤곽(OC) 지표가 어떻게 정량화하는가?
• RQ5 경로 손실과 샤도잉은 교차 티어 전력 제어를 갖는 이중 티어 네트워크에서 업링크 장애 확률에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 타임호핑 CDMA와 세그먼트 안테나를 활용한 제안된 간섭 회피 전략은 분할 스펙트럼 네트워크에서 온디렉셔널 펌토셀 안테나를 사용하는 시스템 대비 약 7배 높은 펌토셀 기지국 밀도를 가능하게 한다.
• 운영 윤곽(OC) 지표는 정의된 장애 제약 조건 하에서 매크로셀 사용자 부하와 펌토셀 기지국 밀도 간의 트레이드오프를 효과적으로 반영한다.
• 교차 티어 간섭이 제거되지 않으면 펌토셀 배치 밀도가 크게 제한되며, 특히 악조건의 간섭을 겪는 모서리 펌토셀에서 더욱 두드러진다.
• 경로 손실, 샤도잉, 교차 티어 전력 제어를 포함한 업링크 장애 확률의 정확한 특성화는 신뢰할 수 있는 용량 분석을 위해 필수적이다.
• 타임호핑 CDMA는 상당한 간섭 격리 효과를 제공하여 공유 스펙트럼 이중 티어 배포에서 더 높은 스펙트럼 재사용과 향상된 네트워크 용량을 가능하게 한다.
• 결과는 타임호핑과 세그먼트화와 같은 물리계층 기술이 유니버설 주파수 재사용을 갖는 견고하고 고용량의 이중 티어 셀룰러 네트워크를 가능하게 하기 위해 필수적임을 보여준다.