[論文レビュー] A Brief History on the Theoretical Analysis of Dense Small Cell Wireless Networks

David López‐Pérez, Ming Ding|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 51被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、干渉飽和のため従来の線形スケーリング則が密度が高い配置において失敗することに注目し、超高密度小セルネットワーク（UDN）の理論的理解を再考する。閉域アクセス、視線（LoS）伝搬、近隣効果、アンテナ高さの差、およびスリーピングモードのBSを考慮した現実的なスケーリング則を提案し、面積スペクトル効率（ASE）を最大化する最適な基地局（BS）および端末（UE）の密度を特定する。

ABSTRACT

This article provides dives into the fundamentals of dense and ultra-dense small cell wireless networks, discussing the reasons why dense and ultra-dense small cell networks are fundamentally different from sparse ones, and why the well-known linear scaling law of capacity with the base station (BS) density in the latter does not apply to the former. In more detail, we review the impact of the following factors on ultradense networks (UDNs), (i) closed-access operations and line-of-sight conditions, (ii) the near-field effect, (iii) the antenna height difference between small cell BSs and user equipments (UEs), and (iv) the surplus of idle-mode-enabled small cell BSs with respect to UEs. Combining all these network characteristics and features, we present a more realistic capacity scaling law for UDNs, which indicates (i) the existence of an optimum BS density to maximise the area spectral efficiency (ASE) for a given finite UE density, and (ii) the existence of an optimum density of UEs that can be simultaneously scheduled across the network to maximise the ASE for a given finite BS density.

研究の動機と目的

• スパarselyなネットワークにおける古典的線形容量スケーリング則に挑戦し、それが超高密度ネットワーク（UDN）においてなぜ失敗するかを示すこと。
• 閉域アクセス、LoS伝搬、近隣効果、アンテナ高さの差といった、物理層およびネットワーク展開要因が、密度が高いネットワークにおける従来の仮定を無効にすることを同定すること。
• スリーピングモードを有効にしたBSを含む、現実的なネットワーク特性を統合することで、UDNのより現実的な容量スケーリング則を構築すること。
• 面積スペクトル効率（ASE）を最大化する最適な基地局およびユーザー機器密度の存在を特定すること。

提案手法

• 基地局（BS）およびユーザー機器（UE）の空間的分布をモデル化するために、確率的幾何学的手法およびホモジニアス・ポアソン点過程（HPPP）を用いる。
• 現実の干渉およびカバレッジダイナミクスをモデル化するため、閉域アクセスおよび視線（LoS）伝搬条件を統合する。
• 距離に依存するパスロス指数および近隣制約を用いて、パスロスをモデル化することで近隣効果を分析する。
• 特に高密度展開において、BS-UEアンテナ高さの差がパスロスおよび信号品質に与える影響を検討する。
• 干渉管理およびエネルギー効率を向上させるために、BSにスリーピングモードを導入し、動的な起動・停止を可能にする。
• 確率生成関数（PGFL）技術を用いて、現実的な制約下でのカバレッジ確率およびASEを計算する新しい容量スケーリング則を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ古典的なBS密度に比例する線形容量スケーリング則が超高密度ネットワークで破綻するのか？
• RQ2 閉域アクセスおよび視線（LoS）伝搬条件は、UDNにおける干渉およびカバレッジにどのように影響するか？
• RQ3 近隣効果およびBS-UEアンテナ高さの差は、信号伝搬およびネットワーク性能にどのような影響を及えるか？
• RQ4 スリーピングモードを有効にしたBSの存在は、UDNにおける干渉の状況および容量スケーリングにどのように変化をもたらすか？
• RQ5 有限で現実的なUDN展開において、面積スペクトル効率（ASE）を最大化する最適なBSおよびUE密度は何か？

主な発見

• 古典的な線形容量スケーリング則は、干渉飽和のためUDNでは失敗し、ASEはBS密度の増加に伴い無限に増加しない。
• 有限なUE密度が与えられた場合、ASEを最大にする最適なBS密度（例：33,420 BS/km²）が存在し、それ以上の密度では性能向上が著しく減少する（例：この点を過ぎると5％未満の向上にとどまる）。
• 有限なBS密度が与えられた場合、ASEはUE密度に関して凹関数となるため、ASEを最大にする最適なアクティブUE密度（例：10⁶ BS/km²における803.6 UEs/km²）が存在する。
• 有限なUE密度を有するUDNでは、カバレッジ確率がBS密度に依存しないことから、スパarselyなネットワークから高密度ネットワークへの根本的な挙動の変化が示された。
• 近隣効果は実用的なUDN展開において制限要因とはならないが、過剰なアクティブなBSおよびUEからの干渉が主なパフォーマンスボトルネックである。
• 単なる密度化ではなく、BSのスイッチングとUEスケジューリングの協調制御によって最適なネットワークパフォーマンスが達成される。