[論文レビュー] On Spectrum and Infrastructure Sharing in Multi-Operator Cellular Networks

Shanshan Wang, Konstantinos Samdanis+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、周波数割当とインフラストラクチャーを共有するマルチオペレータセルラー網を分析・最適化するための確率的幾何学的数学的フレームワークを提案する。基地局の配置をポアソン点過程としてモデル化し、モーメント生成関数を用いて干渉を計算することで、共同での周波数割当とインフラストラクチャー共有が、最適条件下では非共有システムと比較して集約平均データレートを最大2.5倍まで向上させることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a mathematical framework for analyzing and optimizing multi-operator cellular networks that are allowed to share spectrum licenses and infrastructure elements. The proposed approach exploits stochastic geometry for modeling the locations of cellular base stations and for computing the aggregate average rate. The trade-offs that emerge from sharing spectrum frequencies and cellular base stations are quantified and discussed.

研究の動機と目的

• 周波数ライセンスと物理的インフラストラクチャーの両方を共有するマルチオペレータセルラー網を分析するためのシステムレベルの数学的フレームワークを開発すること。
• 現実的な展開条件下での、周波数とインフラストラクチャーの共同共有による性能向上を、集約平均レートの観点から定量すること。
• ライン・オブ・サイト（LOS）/ライン・オブ・サイトでない（NLOS）リンク状態を用いた不均一なパスロスモデルを提示し、確率的幾何学的手法を用いて干渉およびレート指標を計算すること。
• 周波数共有（直交的 vs. 非直交的）とインフラストラクチャー共有の間のトレードオフを、システムレベルのパフォーマンス観点から評価すること。
• ミリ波帯およびサブ6GHz帯の両方のセルラー網に一般化可能な解析的モデルを提供すること。

提案手法

• 各オペレータの基地局配置を、密度λを持つ独立した均一なポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• LOSおよびNLOS状態を有する2ボールパスロスモデルを用い、パスロスを $ l_S(r) = k r^{α_S} $ として定義する。ここで、異なるパスロス指数 $ \alpha_{\text{LOS}} = 2.5 $、$ \alpha_{\text{NLOS}} = 3.5 $ を使用する。
• 干渉電力の累積分布関数を計算するために、確率的幾何学的手法を適用し、LOSおよびNLOS層からの干渉のモーメント生成関数（MGF）を用いる。
• 干渉のMGFを統合し、ガウス超幾何関数を用いることで、インフラストラクチャー共有および周波数共有下での集約平均レート $ \widetilde{R}_i $ の閉形式表現を導出する。
• 異なる共有運用形態下でのレート計算を可能にするために、$ \overline{J}_i(x) $ および $ \widetilde{J}_i(x) $ を干渉のMGFを含む積分として導入する。
• 数値積分および最適化を用いて、共有および非共有設定の両方における集約レートを最大化する最適な基地局密度を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチオペレータセルラー網において、周波数とインフラストラクチャーの共同共有が集約平均データレートに与える影響は何か？
• RQ2 異なる送信電力比および帯域幅割り当てが、周波数およびインフラストラクチャー共有による性能向上に与える影響は何か？
• RQ3 共有および非共有ネットワーク設定の両方において、集約レートを最大化する最適な基地局密度は何か？
• RQ4 LOS/NLOS伝搬モデルの導入が、共有および非共有システム間の性能比較に与える影響は何か？
• RQ5 密集したマルチオペレータ展開において、インフラストラクチャー共有は限られた周波数帯域の制約をどの程度補完できるか？

主な発見

• 最適な基地局密度下で、周波数およびインフラストラクチャー共有により、非共有システムと比較して集約平均レートが最大2.5倍まで向上する。特に高負荷環境では200%を超える向上が達成される。
• 帯域幅比 $ W_2/W_1 = 5 $ および電力比 $ P_2/P_1 = 5 $ の場合、共有システムでは780.3 Mbpsの集約レートを達成するが、非共有設定では403.4 Mbpsにとどまる。
• 両オペレータが高い帯域幅と送信電力を有する場合に性能向上が顕著であり、非対称的だが高容量な条件下で共有が最も効果的であることが示唆される。
• 帯域幅比が5倍（$ W_2/W_1 = 5 $）であっても、非共有システムでは403.4 Mbpsにとどまるが、共有システムでは780.3 Mbpsに達し、ほぼ2倍の向上が確認された。
• 共有および非共有設定における最適な基地局密度は異なり、共有がネットワーク展開におけるトレードオフを変化させることを示している。
• 提案されたフレームワークは、LOSおよびNLOSリンクからの干渉を正確に捉えており、パスロスモデル化がミリ波帯およびサブ6GHz帯の性能予測に顕著な影響を与えることが明らかになった。