[논문 리뷰] Successive Interference Cancellation in Heterogeneous Cellular Networks

Matthias Wildemeersch, Tony Q. S. Quek외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 26.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 37인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다층 이종 셀룰러 네트워크에서 순차 간섭 제거(SIC)를 분석하기 위해 확률적 기하학을 사용하는 통계적 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 무작위 접근점 및 사용자 위치, 경로 손실, fading을 고려한다. n번의 제거 이후 목적 신호 복원 성공 확률에 대한 닫힌 형식의 표현식을 유도하며, SIC 성능 향상은 n이 증가함에 따라 급격히 감소하고, 특히 최대 평균 전력 할당 조건에서는 미미한 향상에 그친다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

At present, operators address the explosive growth of mobile data demand by densification of the cellular network so as to reduce the transmitter-receiver distance and to achieve higher spectral efficiency. Due to such network densification and the intense proliferation of wireless devices, modern wireless networks are interference-limited, which motivates the use of interference mitigation and coordination techniques. In this work, we develop a statistical framework to evaluate the performance of multi-tier heterogeneous networks with successive interference cancellation (SIC) capabilities, accounting for the computational complexity of the cancellation scheme and relevant network related parameters such as random location of the access points (APs) and mobile users, and the characteristics of the wireless propagation channel. We explicitly model the consecutive events of canceling interferers and we derive the success probability to cancel the n-th strongest signal and to decode the signal of interest after n cancellations. When users are connected to the AP which provides the maximum average received signal power, the analysis indicates that the performance gains of SIC diminish quickly with n and the benefits are modest for realistic values of the signal-to-interference ratio (SIR). We extend the statistical model to include several association policies where distinct gains of SIC are expected: (i) minimum load association, (ii) maxi- mum instantaneous SIR association, and (iii) range expansion. Numerical results show the effectiveness of SIC for the considered association policies. This work deepens the understanding of SIC by defining the achievable gains for different association policies in multi-tier heterogeneous networks.

연구 동기 및 목표

• 실제 네트워크 파rameter를 반영한 다층 이종 네트워크에서 SIC 성능 평가를 위한 통계적 프레임워크를 개발하는 것.
• 신호 전력 순서 기반으로 연속 간섭 제거를 모델링하고, n번의 제거 이후 목적 신호 복원 성공 확률을 유도하는 것.
• 최소 하중, 최대순간 SIR, 영역 확장과 같은 다양한 사용자 할당 정책 하에서 SIC 성능 향상도 평가하는 것.
• 간섭 제한 환경에서 네트워크 집중도, fading, 경로 손실이 SIC 성능에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 계산 복잡도와 네트워크 배치의 공간 랜덤성을 반영한 성공 확률에 대한 닫힌 형식의 표현식 제공

제안 방법

• 다층 네트워크에서 접근점과 사용자의 무작위 공간 분포를 모델링하기 위해 스토하스틱 기하학을 사용한다.
• SIC 과정를 반영한 수신 신호 전력의 순서 통계의 잘라낸 합으로 간섭을 모델링한다.
• 일반화된 감마 함수와 순서 통계를 사용하여 n번의 제거 이후 간섭의 라플라스 변환을 유도한다.
• 취소된 간섭자들이 나머지 간섭에 미치는 영향을 모델링하기 위해 배제 영역 기법을 적용한다.
• 각 티어에 대해 SIC 기반으로 수정된 간섭 제거 반경을 도입하여 더 강한 간섭자에 대해 배제 영역을 확대한다.
• n번의 제거 이후 목적 신호 복원 성공 확률에 대한 닫힌 형식의 표현식을 유도하며, n번째로 강한 간섭자까지의 거리 조건 하에 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이종 네트워크에서 순차 간섭 제거를 n번 수행한 후 목적 신호 복원 성공 확률은 무엇인가?
• RQ2 경로 손실 지수, 전송 전력, 사용자 할당 정책과 같은 네트워크 파rameter는 SIC 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 최소 하중, 최대순간 SIR, 영역 확장과 같은 다양한 할당 정책 하에서 SIC 성능 향상은 어떻게 되는가?
• RQ4 성공 확률은 제거 단계(n)가 증가함에 따라 어떻게 악화되는가? 성능 향상은 언제 더 이상 유의미하지 않은가?
• RQ5 fading과 공간 랜덤성은 밀집된 네트워크에서 SIC의 효과성에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• n번의 제거 이후 목적 신호 복원 성공 확률은 닫힌 형식으로 유도되었으며, n번째로 강한 간섭자까지의 거리와 네트워크 파rameter에 명시적인 의존성을 보였다.
• 최대 평균 수신 전력 할당 조건에서는 SIC 성능 향상이 n이 증가함에 따라 급격히 감소하고, 현실적인 신호 간섭비(SIR) 값에서는 이점이 미미하다.
• 경로 손실 지수 α=4일 경우, n번의 제거 이후의 무조건적 성공 확률은 1/(√(9/4 + 3η_t) - 1/2)^n 으로 주어지며, 이는 n에 따라 수익이 지수적으로 감소함을 보여준다.
• 영역 확장 및 최대순간 SIR 할당 정책은 최대 평균 전력 할당 정책보다 더 높은 SIC 성능 향상을 제공하며, 특히 밀집된 네트워크에서 두드러진다.
• 모델은 SIC가 간섭 제거 순서와 일치하는 지능적인 사용자 할당 정책과 함께 사용될 경우 가장 효과적으로 작용함을 보여준다.
• 수치 결과는 적절한 할당 정책 하에서 SIC가 상당한 성능 향상을 제공하지만, 각 제거 단계의 여유 이득은 매우 빨리 감소함을 확인한다.