[論文レビュー] Optimal Base Station Antenna Downtilt in Downlink Cellular Networks

Junnan Yang, Ming Ding+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、3次元超密なダウンリンクセルラー網における最適基 station (BS) アンテナ下向き傾きを決定する分析的フレームワークを提案する。信号強度と同セル干渉のバランスを取ることを目的としており、経路損失とビームフォーミング利得を確率的幾何学的手法でモデル化することで、覆蓋確率とエリアスペクトル効率 (ASE) を最大化する最適下向き傾きの数値的に解ける表現を導出する。これにより、BS密度の増加に伴うASEの崩壊をほぼ1桁分遅らせることが可能になる。

ABSTRACT

From very recent studies, the area spectral efficiency (ASE) performance of downlink (DL) cellular networks will continuously decrease and finally to zero with the network densification in a fully loaded ultra-dense network (UDN) when the absolute height difference between a base station (BS) antenna and a user equipment (UE) antenna is larger than zero, which is referred as the ASE Crash. We revisit this issue by considering the impact of the BS antenna downtilt on the downlink network capacity. In general, there exists a height difference between a BS and a UE in practical networks. It is common to utilize antenna downtilt to adjust the direction of the vertical antenna pattern, and thus increase received signal power or reduce inter-cell interference power to improve network performance. This paper focuses on investigating the relationship between the base station antenna downtilt and the downlink network capacity in terms of the coverage probability and the ASE. The analytical results of the coverage probability and the ASE are derived, and we find that there exists an optimal antenna downtilt to achieve the maximal coverage probability for each base station density. Moreover, we derive numerically solvable expressions for the optimal antenna downtilt, which is a function of the base station density. Our theoretical and numerical results show that after applying the optimal antenna downtilt, the network performance can be improved significantly. Specifically, with the optimal antenna downtilt, the ASE crash can be delayed by nearly one order of magnitude in terms of the base station density.

研究の動機と目的

• BSとユーザー設備 (UE) アンテナの高さ差がある場合、BS密度の増加に伴いエリアスペクトル効率 (ASE) が0に低下するというASE崩壊現象を解消することを目的とする。
• 3次元確率的幾何学的モデルにおいて、アンテナ下向き傾きがダウンリンクネットワーク性能、特に覆蓋確率とASEに与える影響を分析することを目的とする。
• 任意の既知のBS密度に対して覆蓋確率を最大化する最適アンテナ下向き傾きの解析的に取り扱える表現を導出することを目的とする。
• 最適下向き傾きがASE崩壊をどの程度遅らせたり緩和したりするかを定量化し、実用的なUDN展開における全体的なネットワーク容量向上に寄与することを目的とする。

提案手法

• BS位置をポアソン点過程でモデル化し、距離および角度に依存する経路損失を伴う視線 (LoS) および非視線 (NLoS) 伝搬を組み込む。
• UEとBS間の角度に依存する指向性アンテナ利得パターンを導入し、ガウス型ビームパターン関数 G(φ, θr, θtilt) でモデル化する。
• LoSおよびNLoSリンク寄与分を統合することで、LoSおよびNLoS干渉および熱雑音を考慮した覆蓋確率の閉形式表現を導出する。
• 確率的幾何学的手法を用いて、集約干渉のラプラス変換を計算し、信号対干渉加算ノイズ比 (SINR) の取り扱い可能な解析を可能にする。
• 覆蓋確率の下向き傾きに関する微分を0に設定することで最適下向き傾きを導出し、ノイズ、LoS干渉、NLoS干渉の3要素を含む数値的に解ける方程式を導出する。
• 数値的評価を通じて解析結果の妥当性を検証し、最適下向き傾き下でのASEおよび覆蓋確率の向上を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元超密ネットワークにおいて、与えられたBS密度に対して覆蓋確率を最大化する最適BSアンテナ下向き傾きは何か？
• RQ2 アンテナ下向き傾きは、ダウンリンクセルラー網における受信信号電力と同セル干渉のトレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ3 非ゼロのBS-UE高さ差を有する超密ネットワークにおいて、最適アンテナ下向き傾きはASE崩壊をどの程度遅らせたり緩和したりできるか？
• RQ4 LoSおよびNLoS伝搬状態が、最適下向き傾きおよびネットワーク性能指標にどのように共同で影響を与えるか？

主な発見

• 各BS密度に対して、信号電力利得と干渉低減のトレードオフに起因して、唯一の最適アンテナ下向き傾きが存在する。
• 最適下向き傾きは、ノイズ、LoS干渉、NLoS干渉成分の寄与を組み込んだ、数値的に解ける関数として導出される。
• 最適下向き傾きを適用することで、ネットワークの高密度化に伴いASEが0に低下するASE崩壊を、BS密度の観点でほぼ1桁分遅らせることが可能になる。
• 最適下向き傾き下での覆蓋確率およびASEの解析的表現が導出され、従来の固定下向き傾き方式と比較して顕著な性能向上が確認された。
• 結果から、BSとUEアンテナの高さ差を有する実用的な超密ネットワークにおいて、最適下向き傾きによる垂直ビームフォーミングが、高いスペクトル効率を維持するために極めて重要であることが示された。