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

Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G. Andrews|arXiv (Cornell University)|2007. 02. 22.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 시간 히opping과 섹터화된 안테나를 사용하는 DS-CDMA를 활용한 이중 티어 페트오텔 셀 네트워크에서 확률적 기하학 기반의 업링크 용량 분석 및 간섭 회피 전략을 제안한다. 교통량 제약 조건 하에서 매크로셀 사용자 수와 페트오텔 셀 기지국 간의 실현 가능한 조합을 정량화하기 위해 운영 윤곽(OC) 지표를 도입하여, 간섭 완화 기법이 옴니디렉셔널 안테나를 갖는 스플릿 스펙트럼 방식 대비 최대 7배 높은 페트오텔 셀 밀도를 가능하게 함을 보여준다.

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. With universal frequency reuse and DS-CDMA transmission however, the ensuing cross-tier cochannel interference (CCI) causes unacceptable outage probability. This paper develops an uplink capacity analysis and interference avoidance strategy in such a two-tier CDMA network. We evaluate a network-wide area spectral efficiency metric called the \\emph{operating contour (OC)} defined as the feasible combinations of the average number of active macrocell users and femtocell base stations (BS) per cell-site that satisfy a target outage constraint. The capacity analysis provides an accurate characterization of the uplink outage probability, accounting for power control, path-loss and shadowing effects. Considering worst case CCI 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 density, relative to a split spectrum two-tier network with omnidirectional femtocell antennas. A femtocell exclusion region and a tier selection based handoff policy offers modest improvements in the OCs. These results provide guidelines for the design of robust shared spectrum two-tier networks.

연구 동기 및 목표

• 공유 스펙트럼과 유니버설 주파수 재사용 조건 하에서 이중 티어 페트오텔 셀 네트워크의 업링크 용량을 모델링하고 분석하기 위해.
• 경로 손실, 샤도잉 및 전력 제어를 고려하여 페트오텔 셀이 매크로셀 사용자에 미치는 교차 티어 간섭 영향을 정량화하기 위해.
• 간섭 회피 기법—시간 히핑 CDMA 및 섹터화된 안테나—이 네트워크 용량에 끼치는 영향을 평가하기 위해.
• 시스템 성능 향상에 기여하는 페트오텔 셀 배제 영역과 티어 선택 기반 핸드오버의 이점을 평가하기 위해.

제안 방법

• 페트오텔 셀과 매크로셀 사용자의 무작위 공간 분포를 모델링하기 위해 포아송 점 프로세스를 활용한 확률적 기하학 프레임워크를 사용한다.
• 목표 오차율 제약 조건을 만족하는 매크로셀 사용자 수와 페트오텔 셀 기지국의 실현 가능한 영역으로서 운영 윤곽(OC)을 정의한다.
• 주요 매크로셀 간섭원을 모델링하고 간섭 통계에 대해 1차 테일러 근사법을 적용하여 페트오텔 셀 사용자에 대한 하한 오차율을 유도한다.
• 쌍방의 독립성을 활용하여 간섭의 누적분포함수의 컨볼루션을 적용하여 매크로셀 간섭과 페트오텔 셀 간섭을 통합한다.
• 셀 에지에서 강한 간섭을 제거하기 위해 페트오텔 셀 배제 영역을 도입하여 신뢰성을 향상시킨다.
• 독립적인 베르누이 희석을 사용하여 페트오텔 셀에 의해 서비스되지 않는 매크로셀 사용자 수의 강도를 근사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 스펙트럼과 유니버설 주파수 재사용 조건 하에서 이중 티어 페트오텔 셀 네트워크의 업링크 용량은 얼마인가?
• RQ2 경로 손실, 샤도잉 및 전력 제어를 고려할 때 교차 티어 간섭은 얼마나 정확하게 특성화될 수 있는가?
• RQ3 시간 히핑 CDMA와 섹터화된 안테나 기법이 간섭을 얼마나 줄이고 페트오텔 셀 밀도를 얼마나 증가시키는가?
• RQ4 페트오텔 셀 배제 영역은 운영 윤곽 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 티어 선택 기반 핸드오버 정책은 용량에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 시간 히핑 CDMA와 섹터화된 안테나를 사용할 경우, 옴니디렉셔널 안테나를 갖는 스플릿 스펙트럼 이중 티어 네트워크 대비 약 7배 높은 페트오텔 셀 밀도를 달성할 수 있다.
• 운영 윤곽(OC) 지표는 목표 오차율 제약 조건 하에서 매크로셀 사용자 부하와 페트오텔 셀 기지국 밀도 간의 상호 상충 관계를 효과적으로 반영한다.
• 섹터화와 시간 히핑을 통한 간섭 회피 기법은 특히 셀 에지에서 교차 티어 간섭을 크게 감소시킨다.
• 페트오텔 셀 배제 영역과 티어 선택 기반 핸드오버 정책은 운영 윤곽에 소량이지만 측정 가능한 향상을 제공한다.
• 제안된 분석 모델은 간섭 통계를 근사하지 않고도 광범위한 페트오텔 셀 밀도 범위에서 업링크 오차율을 정확하게 특성화한다.
• 하한 오차율 식(식 18)은 시스템 설계에 대해 날것의 근사치를 제공하며, 테일러 전개와 간섭 분포의 컨볼루션을 통해 검증되었다.