[論文レビュー] A Stochastic-Geometry Approach to Coverage in Cellular Networks with Multi-Cell Cooperation

Kaibin Huang, Jeffrey G. Andrews|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 10被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、ポisson分布する基地局とクラスタ化された多アンテナ基地局を用いて、セルラー網におけるマルチセル協調通信をモデル化する確率的幾何モデルを提案する。干渉を低減するためのものであり、割り当てられた基地局数の増加に伴い、クラスタ中心のユーザーでは、$ e^{-c(2-\bar{\nu})^2K} $ の割合でアウトージ確率が指数関数的に減少する。一方、通常のユーザーでは、$ e^{-c'(1-\bar{\nu})^2K} $ の割合で減少する。ここで $ K $ は1つのクラスタあたりの協調基地局の平均数であり、$ \nu $ は内部基地局の割合を表す。

ABSTRACT

Multi-cell cooperation is a promising approach for mitigating inter-cell interference in dense cellular networks. Quantifying the performance of multi-cell cooperation is challenging as it integrates physical-layer techniques and network topologies. For tractability, existing work typically relies on the over-simplified Wyner-type models. In this paper, we propose a new stochastic-geometry model for a cellular network with multi-cell cooperation, which accounts for practical factors including the irregular locations of base stations (BSs) and the resultant path-losses. In particular, the proposed network-topology model has three key features: i) the cells are modeled using a Poisson random tessellation generated by Poisson distributed BSs, ii) multi-antenna BSs are clustered using a hexagonal lattice and BSs in the same cluster mitigate mutual interference by spatial interference avoidance, iii) BSs near cluster edges access a different sub-channel from that by other BSs, shielding cluster-edge mobiles from strong interference. Using this model and assuming sparse scattering, we analyze the shapes of the outage probabilities of mobiles served by cluster-interior BSs as the average number $K$ of BSs per cluster increases. The outage probability of a mobile near a cluster center is shown to be proportional to $e^{-c(2-\sqrtν)^2K}$ where $ν$ is the fraction of BSs lying in the interior of clusters and $c$ is a constant. Moreover, the outage probability of a typical mobile is proved to scale proportionally with $e^{-c' (1-\sqrtν)^2K}$ where $c'$ is a constant.

研究の動機と目的

• 不規則な基地局（BS）配置とパスロス効果を考慮した、マルチセル協調通信を伴うセルラー網の解析的かつ現実的な確率的幾何モデルの構築を目的とする。
• 定期的なトポロジーと固定された干渉レベルを仮定する過度に単純化されたワイナーモデルの限界を是正することを目的とする。
• 1つのクラスタあたりの協調基地局数がネットワークカバレッジ性能、特にアウトージ確率に与える影響を定量化することを目的とする。
• 空間的干渉回避とサブチャンネル再利用を含む、現実の展開条件下でのマルチセル協調通信の性能向上を分析することを目的とする。
• 協調基地局数 $ K $ の増加に伴うアウトージ確率の漸近的スケーリング法則を導出することを目的とし、クラスタ中心ユーザーと通常ユーザーの違いを明確にすること。

提案手法

• 不規則な地理的分布とランダムなセル境界を捉えるために、基地局をホモジニアスなポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• 最近接基地局に従属するセル領域を定義するためにポアソンランダムタイルレーションを用い、現実的なパスロスおよび干渉統計を保証する。
• 六角形格子を用いて多アンテナ基地局をクラスタ化し、同じクラスタ内に属する基地局が共同ビームフォーミングにより、イントラクラスタ干渉を低減する。
• クラスタ端縁部の基地局に異なるサブチャンネルを割り当て、クラスタ境界付近のユーザーが強いインタクラスタ干渉にさらされのを防ぐ。
• 干渉電力を解析するため、確率的幾何学とショットノイズ理論を適用し、切り捨てられたショットノイズと大偏差原理を用いて尾確率を導出する。
• 疎な散乱下での漸近的解析を活用し、協調基地局数 $ K $ の増加に伴うアウトージ確率の指数的スケーリング法則を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのクラスタ内部の基地局によってサービスを受けるユーザーのアウトージ確率は、1つのクラスタあたりの協調基地局数にどのように依存するか？
• RQ2 内部基地局の割合（$ \nu $）は、クラスタ中心ユーザーのカバレッジ性能にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 マルチセル協調通信環境下において、通常ユーザーのアウトージ確率はクラスタ中心ユーザーのそれとどのように異なるか？
• RQ4 1つのクラスタあたりの協調基地局数が非常に大きくなる際のネットワークカバレッジの漸近的スケーリング挙動はいかなるものか？
• RQ5 ランダムな基地局配置、パスロス、サブチャンネル再利用といった現実要因は、マルチセル協調通信の性能向上にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• クラスタ中心付近にいるユーザーのアウトージ確率は、$ e^{-c(2-\bar{\nu})^2K} $ のようにスケーリングされ、ここで $ \nu $ はクラスタ内部の基地局の割合、$ K $ は1つのクラスタあたりの協調基地局の平均数を表す。
• 通常ユーザーのアウトージ確率は、クラスタ中心ユーザーと比較して干渉への露出が高いため、より遅い速度で減少し、$ e^{-c'(1-\bar{\nu})^2K} $ のようにスケーリングされる。
• 導出されたスケーリング法則は漸近的にタイトであり、$ K $ が非常に大きくなる場合、上界と下界が同じ指数的レートに収束する。
• $ K $ を増加させることによる性能向上は顕著で、非自明な効果を示す。これは、単一セル送信では基地局密度の増加が利得をもたらさないのとは対照的である。
• 結果は主なシステムパラメータに依存する：パスロス指数 $ \alpha > 2 $、ビームフォーマ応答比 $ \zeta $、干渉抑圧利得 $ \delta_1/\delta $。
• 分析により、空間的調整による干渉低減が有効であるため、マルチセル協調通信は特にクラスタ中心のユーザーに対して顕著なカバレッジ向上を実現することが確認された。