[論文レビュー] Understanding Noise and Interference Regimes in 5G Millimeter-Wave Cellular Networks

Mattia Rebato, Marco Mezzavilla+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 37

ひとこと要約

本稿では、測定に基づくmmWaveチャネルモデルを用いて、5G mmWaveネットワークが雑音制限領域か干渉制限領域かを分析している。低基地局密度（<30 BSs/km²）ではネットワークは雑音制限領域にあり、高密度（>120 BSs/km²）では干渉制限領域にあり、中間領域ではハイブリッド領域が存在し、適応的協調方式が求められることが判明した。

ABSTRACT

With the severe spectrum shortage in conventional cellular bands, millimeter-wave (mmWave) frequencies have been attracting growing attention for next-generation micro- and picocellular wireless networks. A fundamental and open question is whether mmWave cellular networks are likely to be noise- or interference-limited. Identifying in which regime a network is operating is critical for the design of MAC and physical-layer procedures and to provide insights on how transmissions across cells should be coordinated to cope with interference. This work uses the latest measurement-based statistical channel models to accurately assess the Interference-to-Noise Ratio (INR) in a wide range of deployment scenarios. In addition to cell density, we also study antenna array size and antenna patterns, whose effects are critical in the mmWave regime. The channel models also account for blockage, line-of-sight and non-line-of-sight regimes as well as local scattering, that significantly affect the level of spatial isolation.

研究の動機と目的

• 5G mmWaveセルラー・ネットワークが主に熱雑音か干渉かによって制限されているかどうかを特定すること。
• 基地局密度、アレイ素子数、伝搬条件といった主な展開パrameterが干渉対雑音比（INR）に与える影響を評価すること。
• ネットワーク密度と周波数帯に応じて、明確な動作領域（雑音制限、干渉制限、ハイブリッド）を同定すること。
• 雑音制限と干渉制限の間の遷移を定量的に評価することで、MAC層および物理層設計を支援すること。

提案手法

• ニューヨーク市での広範な伝搬測定から得られた、28 GHzおよび73 GHz帯の測定に基づく統計的チャネルモデルを採用する。
• 基地局密度（30～120 BSs/km²の範囲）、ユーザー端末密度、アレイ構成を変化させた都市部mmWaveセルラー・ネットワークをシミュレートする。
• 視線（LoS）および非視線（NLoS）伝搬、遮蔽効果、局所散乱をモデル化し、空間的分離を捉える。
• 実測累積分布関数（ECDF）を用いて、干渉対雑音比（INR）および信号対干渉加算雑音比（SINR）を分析する。
• 73 GHz帯におけるアレイ素子数（例：8×8 対 16×16）の違いを比較し、ビームフォーミングおよびサイドローブの影響を評価する。
• 基地局密度を増加させた際の5番目および50番目の百分位数SINRのトレンドを用いて、動作領域の遷移を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5G mmWaveネットワークが雑音制限から干渉制限に遷移する基地局密度はどの程度か？
• RQ2 アレイ素子数とビームフォーミングの指向性が、mmWaveシステムにおける干渉レベルとINRに与える影響は何か？
• RQ3 視線／非視線リンクや遮蔽といった伝搬条件が、空間的分離と干渉レベルに果たす役割は何か？
• RQ4 パスロスおよびビーム幅特性の違いにより、28 GHz帯と73 GHz帯はどのように干渉行動を示すか？
• RQ5 両方の要因が顕著な中間領域で動作するネットワークに最も適したMACプロトコルは何か？

主な発見

• 基地局密度が30 BSs/km²未満（平均セル半径 >103 m）のとき、ネットワークは雑音制限領域にあり、干渉協調は不要である。
• 基地局密度が120 BSs/km²を超えると、ネットワークは干渉制限領域に移行し、ビームフォーミングやリソース割り当て方式などの干渉協調メカニズムが不可欠となる。
• 30～120 BSs/km²の間では、ユーザーが雑音制限または干渉制限の状態を経験するハイブリッド領域が出現し、適応的またはハイブリッド協調プロトコルが求められる。
• 73 GHz帯でアレイ素子数を増加（例：8×8 から 16×16）させると、メインローブ指向性の向上にもかかわらず、サイドローブ干渉が増加し、INRが2～3 dB上昇する。
• より大きなアレイの高い指向性により、空間的分離が向上し、SINRは約9～10 dB向上するが、INRはわずかに上昇する。
• 50番目の百分位数SINRでは、雑音制限から干渉制限への遷移が30～60 BSs/km²の間で発生し、5番目の百分位数では60～90 BSs/km²の間で発生しており、ユーザーの位置やリンク品質に敏感であることが示された。