[논문 리뷰] Uplink Interference Analysis for Two-tier Cellular Networks with Diverse Users under Random Spatial Patterns

Wei Bao, Ben Liang|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 06.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다양한 사용자와 기지국을 가진 이중 티어 셀룰러 네트워크에서 상향링크 간섭을 정확하게 분석하기 위해 슈퍼포지션-집계-슈퍼포지션(SAS) 접근 방식을 사용하는 확률적 기하 모델을 제안한다. 간섭의 정확한 라플라스 변환을 유도하여 외부성 확률 계산이 가능하게 하고, 외부성 제약 조건 하에서 강도 계획이 볼록 최적화 문제로 환원됨을 보여주며, 수치 결과로 검증된다.

ABSTRACT

Multi-tier architecture improves the spatial reuse of radio spectrum in cellular networks, but it introduces complicated heterogeneity in the spatial distribution of transmitters, which brings new challenges in interference analysis. In this work, we present a stochastic geometric model to evaluate the uplink interference in a two-tier network considering multi-type users and base stations. Each type of tier-1 users and tier-2 base stations are modeled as independent homogeneous Poisson point processes, and tier-2 users are modeled as locally non-homogeneous clustered Poisson point processes centered at tier-2 base stations. By applying a superposition-aggregation-superposition approach, we quantify the interference at both tiers. Our model is also able to capture the impact of two types of exclusion regions, where either tier-2 base stations or tier-2 users are restricted in order to avoid cross-tier interference. As an important application of this analytical model, an intensity planning scenario is investigated, in which we aim to maximize the total income of the network operator with respect to the intensities of tier-2 cells, under constraints on the outage probabilities of tier-1 and tier-2 users. The result of our interference analysis suggests that this maximization can be converted to a standard convex optimization problem. Finally, numerical studies further demonstrate the correctness of our analysis.

연구 동기 및 목표

• 이중 티어 셀룰러 네트워크에서 티어-1 사용자, 티어-2 기지국, 티어-2 사용자의 이질적인 공간 분포를 고려한 상향링크 간섭 문제를 해결한다.
• 비균일한 포아송 점 프로세스를 사용하여 티어-2 사용자가 티어-2 기지국 주변에 공간적으로 무작위로 분포하고 군집화되는 특성을 모델링한다.
• 기지국 배제 영역과 사용자 장치 배제 영역이라는 두 가지 유형의 배제 영역이 교차 티어 간섭과 외부성 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 각 티어의 개별 외부성 확률 제약 조건 하에 네트워크 운영자 수익을 최대화하는 강도 계획 문제를 수립하고 해결한다.
• 간섭 분석이 볼록 최적화 문제로 환원됨을 보여주며, 이는 효율적이고 최적의 시스템 설계를 가능하게 한다.

제안 방법

• 티어-1 사용자와 티어-2 기지국을 독립적인 균일한 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하고, 티어-2 사용자를 티어-2 기지국을 중심으로 한 국소적으로 비균일한 군집형 PPP로 모델링한다.
• 모든 티어-2 사용자로부터의 간섭을 하나의 등가 간섭원으로 분석적으로 집계하기 위해 슈퍼포지션-집계-슈퍼포지션(SAS) 접근 방식을 개발한다. 이는 근사치를 피함으로써 정확한 분석을 가능하게 한다.
• PPP의 라플라스 기능과 집계된 간섭의 생성 기능을 사용하여 양 티어의 총 상향링크 간섭에 대한 정확한 라플라스 변환을 유도한다.
• 기지국 배제 영역과 사용자 장치 배제 영역이라는 두 가지 유형의 배제 영역을 통합하여 교차 티어 간섭 완화를 모델링한다.
• 외부성 확률 제약 조건을 선형 강도 트레이드오프로 변환함으로써 강도 계획 문제를 볼록 최적화 문제로 재구성한다.
• 다양한 공간 상관 수준과 배제 영역 파ameter를 가진 광범위한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 사용자 유형과 공간적으로 상관된 티어-2 사용자를 가진 이중 티어 셀룰러 네트워크에서 상향링크 간섭을 어떻게 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 기지국 배제 영역과 사용자 장치 배제 영역이 티어-1 및 티어-2 사용자의 외부성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 티어-1 사용자 또는 티어-2 기지국의 위치에 대한 공간 상관성이 강도 계획 문제의 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 상향링크 간섭 분석을 볼록 최적화 문제로 변환할 수 있는가? 이를 통해 효율적인 시스템 설계가 가능한가?
• RQ5 실제 공간 패턴과 배제 제약 조건 하에서 분석 결과가 시뮬레이션 결과와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 제안된 SAS 접근 방식은 근사치 없이 정확한 상향링크 간섭 계산이 가능하게 하여 이전 방법보다 훨씬 정확도를 향상시킨다.
• 동일한 배제 반경을 가질 경우, 사용자 장치 배제 영역이 기지국 배제 영역보다 티어-1 사용자의 외부성 확률 감소에 더 효과적이다.
• 티어-1 사용자 또는 티어-2 기지국 간의 공간 상관성이 증가할수록 외부성 확률이 증가하며, 강한 상관 수준(예: α ≤ 10^1.5)에서 이 효과가 두드러지게 나타난다.
• 약한 상관 수준(α ≥ 10^2)일 경우, 공간 상관이 있는 위치에서의 최적 유틸리티는 성능 격차(η(α) < 0.05) 내에 있어 안정성을 보이며, 이는 강건성을 의미한다.
• 외부성 제약 조건이 있는 강도 계획 문제는 볼록 최적화 문제로 재구성되어 네트워크 수익 최적화 목표를 효율적이고 최적의 방법으로 해결할 수 있다.
• 수치 결과는 분석 모델의 정확성을 확인하며, 다양한 공간 구성과 배제 시나리오에서 이론적 예측과 시뮬레이션 결과 간의 높은 일치도를 보였다.