[論文レビュー] Performance Impact of Base Station Antenna Heights in Dense Cellular Networks

Ming Ding, David López‐Pérez|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、超密なセルラーネットワーク（UDN）において、基地局（BS）のアンテナがユーザ設備（UE）のアンテナよりも高い場合、BSの密度が増加するにつれて、ネットワーク性能—カバレッジ確率およびエリアスペクトル効率（ASE）—がゼロに低下することを明らかにした。これは、ASEの線形スケーリングを前提としてきた先行研究の仮定に反する。主な発見は、BSのアンテナ高さをUEレベルに低下させることで、この崩壊を緩和し、ネットワーク容量を回復させられることであり、これによりBS展開アーキテクチャの根本的見直しが必要となる。

ABSTRACT

In this paper, we present a new and significant theoretical discovery. If the absolute height difference between base station (BS) antenna and user equipment (UE) antenna is larger than zero, then the network performance in terms of both the coverage probability and the area spectral efficiency (ASE) will continuously decrease toward zero as the BS density increases for ultra-dense (UD) small cell networks (SCNs). Such findings are completely different from the conclusions in existing works, both quantitatively and qualitatively. In particular, this performance behavior has a tremendous impact on the deployment of UD SCNs in the 5th-generation (5G) era. Network operators may invest large amounts of money in deploying more network infrastructure to only obtain an even less network capacity. Our study results reveal that one way to address this issue is to lower the SCN BS antenna height to the UE antenna height. However, this requires a revolutionized approach of BS architecture and deployment, which is explored in this paper too.

研究の動機と目的

• 超密ネットワーク（UDN）における基地局（BS）アンテナ高さがネットワーク性能に与える影響を調査すること。
• BS密度を増加させるとASEが常に向上するとする長年の仮定に疑問を呈すること。
• BSアンテナがUEアンテナよりも高い場合にUDNで性能が崩壊する根本的要因を特定すること。
• BSアンテナ高さをUEレベルにまで低くすることでネットワーク容量を回復させる、新しい展開戦略を提案すること。
• 確率的幾何学的手法と3GPPチャネルモデルを用いて、性能のトレードオフを定量化する理論的基盤を提供すること。

提案手法

• BSをホモジニアス・ポアソン点過程（HPPP）としてモデル化し、確率的幾何学的手法を用いる。
• 視線（LoS）および視線外（NLoS）伝搬状態を含む現実的な3GPPパスロスモデルを統合する。
• BSおよびUEアンテナ高さの差が異なる条件下でのカバレッジ確率およびASEの閉形式表現を導出する。
• 積分の取り扱いを容易にするための近似技術を導入する。ここで、$ w = \tilde{w} = \begin{cases} L, & 0 \to v_1 \\ \frac{r+L}{\bar{2}}, & v_1 \to v_2 \\ r, & r > v_2 \end{cases} $ であり、$ v_1 = (\bar{2}-1)L, v_2 = (\bar{2}+1)L $（スイッチングポイント）である。
• 集合干渉 $ I_{\text{agg}} $ のラプラス変換を用いてカバレッジ確率を計算する。
• 導出された式を用いて、BS密度の増加に伴うASEの挙動を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BSとUEアンテナの絶対的高さ差が、超密ネットワークにおけるカバレッジ確率およびASEにどのように影響を与えるか？
• RQ2 BSアンテナがUEアンテナよりも高い場合、BS密度が増加するにつれてネットワーク性能がゼロに低下する理由は何か？
• RQ3 現実的な伝搬条件下で、UDNにおけるASEの崩壊を引き起こす根本的メカニズムは何か？
• RQ4 BSアンテナ高さをUEレベルに下げることで、性能の崩壊を逆転させ、ASEの線形スケーリングを回復できるか？
• RQ5 低BS高さUDN戦略を実装するために、どのようなアーキテクチャ的・展開的変更が必要か？

主な発見

• BSアンテナがUEアンテナよりも高い場合、カバレッジ確率およびASEは、BS密度の増加に伴い単調にゼロに低下し、これはASEの線形スケーリングを仮定してきた先行研究とは矛盾する。
• 性能の崩壊は、干渉リンクがNLoSからLoSに移行することに起因し、これは、ネットワークの高密度化に伴い干渉電力が信号電力よりも速やかに増加するためである。
• BSアンテナ高さをUE高さに合わせることで、性能の崩壊が解消され、密度に比例したASEスケーリングが回復する。
• ASEのクロール現象—ASEの増加が鈍化または逆転する現象—は、BS密度が約20 BS/km²を超えると発生し、干渉経路におけるLoS/NLoS遷移に起因する。
• 非常に高い密度（>1000 BS/km²）では、ASEは再び線形にスケーリングし直し、300 MHz帯域幅でピークスループット1000 Gbps/km²を達成できる。
• 提案された解決策は、マクロまたはスモールセルの上層展開から、地上レベルで低高さの展開に移行するという、革命的なBS展開アーキテクチャの転換を要請する。