[論文レビュー] Performance Impact of Idle Mode Capability on Dense Small Cell Networks

Ming Ding, David López‐Pérez+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ドライビング・スモールセル・ネットワーク（SCNs）におけるベースステーション（BS）のアイドルモード機能（IMC）の性能への影響を調査し、非アクティブなBSを無効化することで、カバレッジ確率、スペクトル効率、エネルギー効率が顕著に向上することを示している。現実の視線ライン（LoS）および視線非ライン（NLoS）伝搬をモデル化することで、BS密度がUE密度を超えるとカバレッジ確率が1に近づくことが証明され、超高密度展開における「5Gの死」の懸念が逆転することが明らかになった。

ABSTRACT

Very recent studies showed that in a fully loaded dense small cell network (SCN), the coverage probability performance will continuously decrease with the network densification. Such new results were captured in IEEE ComSoc Technology News with an alarming title of "Will Densification Be the Death of 5G?". In this paper, we revisit this issue from more practical views of realistic network deployment, such as a finite number of active base stations (BSs) and user equipments (UEs), a decreasing BS transmission power with the network densification, etc. Particularly, in dense SCNs, due to an oversupply of BSs with respect to UEs, a large number of BSs can be put into idle modes without signal transmission, if there is no active UE within their coverage areas. Setting those BSs into idle modes mitigates unnecessary inter-cell interference and reduces energy consumption. In this paper, we investigate the performance impact of such BS idle mode capability (IMC) on dense SCNs. Different from existing work, we consider a realistic path loss model incorporating both line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) transmissions. Moreover, we obtain analytical results for the coverage probability, the area spectral efficiency (ASE) and the energy efficiency (EE) performance for SCNs with the BS IMC and show that the performance impact of the IMC on dense SCNs is significant. As the BS density surpasses the UE density in dense SCNs, the coverage probability will continuously increase toward one, addressing previous concerns on "the death of 5G". Finally, the performance improvement in terms of the EE performance is also investigated for dense SCNs using practical energy models developed in the Green-Touch project.

研究の動機と目的

• 5Gの高密度スモールセル・ネットワーク（SCNs）におけるネットワークの高密度化が性能を低下させることへの懸念、特に「高密度化は5Gの死である可能性がある」という主張に対処すること。
• 現実のSCNsにおける主要な性能指標—カバレッジ確率、エリアスペクトル効率（ASE）、エネルギー効率（EE）—に及ぼすBSアイドルモード機能（IMC）の影響を分析すること。
• 視線ライン（LoS）および視線非ライン（NLoS）伝送を含む実用的な伝搬モデルを組み込み、アクティブなBSおよびUEの有限な密度を考慮すること。
• IMC下でのカバレッジ確率およびアクティブなBS密度の解析的表現を導出し、非アクティブなBSによる干渉低減がネットワーク性能を向上させることを示すこと。
• グリーン・タッチ・プロジェクトの実用的エネルギー消費モデルを用いてエネルギー効率を評価し、超高密度展開におけるIMCによる顕著な向上を示すこと。

提案手法

• 著者らは、BSおよびUEにポアソン点過程を用いた確率的幾何学的SCNをモデル化し、LoSおよびNLoSリンクを含む現実的なパスロスモデルを組み込んだ。
• リンク品質および関連ルールに基づき、通常のUEが距離rの指定されたBS bと関連付けられていない条件付き確率Pr[w≁b|r]を導出している。
• LoSおよびNLoSパスロス成分を組み合わせたPDF f_R^Path(r) を用いて距離分布の積分により、無条件の関連確率Pr[w≁b] を計算している。
• 各BSの周囲の候補UE数をパラメータλ_Ω = ρπr_max² のポアソン確率変数としてモデル化することで、BSの非アクティブ化確率Q^offを導出している。
• Q^offはUEの相関を考慮していないため、非アクティブなBS密度 ̃λ はλ(1−Q^off) で上界で抑えられており、これは実際の非アクティブ化確率を低く見積もっている。
• LoSおよびNLoS関連距離の累積分布関数（CDF）F_R^L(r) および F_R^NL(r) を用い、F_R(r) = F_R^L(r) + F_R^NL(r) として統合している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密なスモールセル・ネットワークにおけるアイドルモード機能の有効化が、超高密度環境における先行研究が予測する性能低下を緩和するか？
• RQ2 現実のLoSおよびNLoS伝搬モデルの組み込みが、高密度SCNsにおけるカバレッジ確率にどのように影響するか？
• RQ3 BS密度がUE密度を超える場合、BSの非アクティブ化がカバレッジ確率、ASE、エネルギー効率に与える解析的影響は何か？
• RQ4 IMC下でアクティブなBS密度を解析的に上界で抑えられるか？ また、これによりネットワーク性能指標にどのような影響があるか？
• RQ5 特に実用的エネルギー消費モデルを用いた場合、IMCは密なSCNsにおけるエネルギー効率をどの程度向上させるか？

主な発見

• 密なSCNsにおいてBS密度がUE密度を超えると、カバレッジ確率は単調に1に近づき、『5Gの死』の懸念が逆転する。
• 提案されたIMCメカニズムにより、アイドル状態のBSを非アクティブ化することで、セル間干渉が顕著に低減され、カバレッジおよびスペクトル効率が向上する。
• IMC下では、干渉が抑制され、信号品質が向上するため、エリアスペクトル効率（ASE）は高密度化に伴い良好にスケーリングする。
• 特にグリーン・タッチ・プロジェクトの実用的エネルギー消費モデルを用いた場合、エネルギー効率（EE）は顕著に向上する。
• アクティブなBS密度はλ(1−Q^off) で上界で抑えられ、Q^offはUEが関連するBSが存在しない確率である。この上界は、UEの空間相関のため保守的である。
• 解析フレームワークは、分段的なパスロスモデルを用いてLoSおよびNLoS伝搬を考慮しており、従来の単一傾きモデルに比べてより正確な性能予測を可能にしている。