[논문 리뷰] Modeling and Analysis of MmWave Communications in Cache-enabled HetNets

Wenqiang Yi, Yuanwei Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 26.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 서브-6GHz 마크로 셀과 밀리미터파 피코 셀을 통합한 캐시 기반 하이브리드 이질망(HetNet)을 제안하며, 포아송 점 프로세스를 통해 모델링하고 스토하스틱 기하학을 사용해 분석한다. 최대 수신 전력 연동 전략 하에서 성공 확률과 단위 면적 스펙트럼 효율성(ASE)에 대한 새로운 표현식을 유도하여, 시스템이 간섭에 의해 제한되며 특정 데이터 전송률 임계값에서 최적의 ASE를 달성하고, 73GHz에서 최고 성능를 보임을 보여준다. 이는 높은 안테나 이득 덕분이다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a novel cache-enabled heterogeneous network (HetNet), where macro base stations (BSs) with traditional sub-6 GHz are overlaid by dense millimeter wave (mmWave) pico BSs. These two-tier BSs, which are modeled as two independent homogeneous Poisson Point Processes, cache multimedia contents following the popularity rank. High-capacity backhauls are utilized between macro BSs and the core server. A maximum received power strategy is introduced for deducing novel algorithms of the success probability and area spectral efficiency (ASE). Moreover, Monte Carlo simulations are presented to verify the analytical conclusions and numerical results demonstrate that: 1) the proposed HetNet is an interference-limited system and it outperforms the traditional HetNets; 2) there exists an optimal pre-decided rate threshold that contributes to the maximum ASE; and 3) 73 GHz is the best mmWave carrier frequency regarding ASE due to the large antenna scale.

연구 동기 및 목표

• 서브-6GHz 마크로 셀과 밀리미터파 피코 셀을 결합한 캐시 기반 하이브리드 HetNet을 모델링하고 분석하기.
• 백홀 용량과 캐시 배치가 네트워크 성능에 미치는 영향을 평가하기.
• 밀도가 높은 밀리미터파 환경에서 성공 확률과 단위 면적 스펙트럼 효율성(ASE)에 대한 해석적 표현식 유도하기.
• ASE를 최대화하기 위한 최적의 캐리어 주파수와 전송률 임계값 식별하기.
• 고밀도 피코 기지국 배치 상황에서 시스템이 간섭에 의해 제한되는지 여부를 입증하기.

제안 방법

• 마크로 및 피코 기지국을 밀도가 λ₁ 및 λ₂인 독립적인 동질적 포아송 점 프로세스(PPPs)로 모델링한다.
• 사용자를 가장 강한 서비스 기지국에 연결하기 위해 최대 수신 전력(Max-RP) 연동 전략을 적용한다.
• 스토하스틱 기하학을 사용하여 서브-6GHz 및 밀리미터파 계층의 간섭 라플라스 변환을 유도하며, 실제 안테나 패턴을 포함한다.
• 밀리미터파 링크에 대해 나카가미 fading을 적용하고, 안테나 이득 G₂(ω)를 통해 방향성 빔포밍을 고려한다.
• 가우스-체비셰프 적분법과 구형함수를 사용하여 성공 확률과 ASE에 대한 폐형 표현식을 유도한다.
• 다양한 캐리어 주파수와 시스템 파rameter에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질망에 밀리미터파 피코 셀과 캐싱을 통합할 경우, 기존의 서브-6GHz 이질망에 비해 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 캐시 기반 밀리미터파 이질망에서 백홀 용량은 성공 확률과 ASE에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 시스템에서 단위 면적 스펙트럼 효율성(ASE)이 최대가 되는 전송률 임계값은 무엇인가?
• RQ4 28, 38, 60, 또는 73GHz 중 어떤 밀리미터파 캐리어 주파수가 Max-RP 연동 전략 하에서 가장 높은 ASE를 제공하는가?
• RQ5 제안된 밀리미터파 이질망은 고밀도 배치 시나리오에서 간섭에 의해 제한되는가, 아니면 노이즈에 의해 제한되는가?

주요 결과

• 제안된 캐시 기반 밀리미터파 이질망은 높은 피코 기지국 밀도와 방향성 빔포밍으로 인해 간섭에 의해 제한되는 시스템이다.
• 단위 면적 스펙트럼 효율성(ASE)은 특정 사전 결정된 전송률 임계값에서 최대가 되며, 이 값은 피코 기지국 밀도 λ₂에 따라 달라진다.
• 73GHz는 큰 안테나 스케일(N₂ = 80) 덕분에 강력한 빔포밍 이득을 제공하므로 후보 밀리미터파 대역 중에서 가장 높은 ASE를 제공한다.
• 성공 확률은 피코 기지국 캐시 용량 M₂가 증가함에 따라 단조적으로 증가하지만, 백홀 용량이 전송률 임계값 R_th를 초과할 경우 마크로 기지국 캐시 용량 M₁과는 무관하다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 결과는 분석 결과와 밀도가 높은 60GHz 주파수에서 특히 잘 일치하며, ASE 및 성공 확률에 대한 유도된 표현식의 타당성을 검증한다.
• 백홀 용량 C_bh ≤ R_th일 경우, 마크로 기지국 캐시 용량 M₁을 증가시키면 성공 확률이 향상되며, 이는 현지 캐싱으로 인한 성능 향상이 있음을 시사한다.