[論文レビュー] Uplink Capacity and Interference Avoidance for Two-Tier Cellular Networks

Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G. Andrews|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2007

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、ユニバーサル周波数再利用を採用した2ティアCDMAネットワークにおいて、時間割り当てCDMAとセクタ化アンテナを用いて、上行リンク容量の分析と干渉回避戦略を提案する。これらの技術により、スプリットスペクトルとオムニディレクショナルアンテナを用いたシステムと比較して、フェムトセルベースステーションの密度を最大7倍にまで向上でき、障害制約下でもネットワーク容量を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

Two-tier femtocell networks-comprising a conventional macrocellular network plus embedded femtocell hotspots- offer an economically viable solution to achieving high cellular user capacity and improved coverage. This paper develops an uplink capacity analysis and interference avoidance strategy in such a two-tier CDMA network with universal frequency reuse. We evaluate a network-wide area spectral efficiency metric called the Operating Contour (OC) defined as the combinations of the average macrocell users and femtocell BS per cell-site that meet a target outage constraint. A contribution of this work is an accurate characterization of the uplink outage probability taking cross-tier power control, path-loss and shadowing into account. Considering worst case interference at a corner femtocell, results reveal that interference avoidance through a time-hopped CDMA physical layer and sectorized antennas allows about a 7x higher femtocell BS density, relative to a split spectrum network with omnidirectional femtocell antennas. These results provide guidelines for the design of robust shared spectrum two-tier networks.

研究の動機と目的

• ユニバーサル周波数再利用と共有スペクトルを有する2ティアフェムトセルネットワークにおける上行リンク容量を分析すること。
• マクロセルからフェムトセルへのクロスティア干渉、特に最悪状況下でのコーナーフェムトセルにおける干渉を特定すること。
• 目標障害性能を維持しつつフェムトセルベースステーションの密度を最大化する干渉回避戦略を開発すること。
• 従来のスプリットスペクトルとオムニディレクショナルアンテナ手法と比較して、高度な物理層技術の性能向上を定量化すること。
• 運用輪郭（OC）指標を定義・評価し、障害制約下での面積スペクトル効率のネットワーク全体的指標としての役割を検証すること。

提案手法

• 著者らは、クロスティアパワー制御、路損失、対数正規シャドウイングの影響を組み込んだ上行リンク障害確率をモデル化する。
• 運用輪郭（OC）を、目標障害確率を満たすマクロセルユーザー負荷とフェムトセルベースステーション密度の集合として定義する。
• 解析は、最も厳しい展開条件とされるコーナーフェムトセルにおける最悪状態の干渉シナリオに焦点を当てる。
• マクロセルとフェムトセル間の同周波数干渉を低減するために、時間割り当てCDMAを物理層技術として採用する。
• フェムトセル送信の空間的分離と隣接セルへの干渉漏れ低減のため、セクタ化アンテナを用いる。
• 性能は、同一のスペクトルおよび出力制約下で、オムニディレクショナルフェムトセルアンテナを有するスプリットスペクトルネットワークと比較して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニバーサル周波数再利用を有する2ティアCDMAネットワークにおいて、クロスティア干渉は上行リンク容量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 最悪状態の干渉条件下で、目標障害確率を維持しつつ、フェムトセルベースステーションの最大実現可能な密度はどの程度か？
• RQ3 時間割り当てCDMAとセクタ化アンテナは、従来のスプリットスペクトルとオムニディレクショナルアンテナシステムと比較して、フェムトセル展開密度をどの程度向上できるか？
• RQ4 運用輪郭（OC）指標は、障害制約下でのマクロセルユーザー負荷とフェムトセルベースステーション密度のトレードオフをどのように定量化するか？
• RQ5 路損失とシャドウイングは、クロスティアパワー制御を有する2ティアネットワークにおける上行リンク障害確率にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 時間割り当てCDMAとセクタ化アンテナを用いた提案された干渉回避戦略により、スプリットスペクトルとオムニディレクショナルフェムトセルアンテナを有するシステムと比較して、フェムトセルベースステーション密度が約7倍に向上する。
• 運用輪郭（OC）指標は、定義された障害制約下で、マクロセルユーザー負荷とフェムトセルベースステーション密度のトレードオフを効果的に捉えている。
• クロスティア干渉が抑制されない場合、特に最悪状態の干渉を受けるコーナーフェムトセルでは、フェムトセル展開密度が顕著に制限される。
• 路損失、シャドウイング、およびクロスティアパワー制御を含めた上行リンク障害確率の正確な特徴づけは、信頼性の高い容量解析にとって不可欠である。
• 時間割り当てCDMAは顕著な干渉分離を実現し、共有スペクトルを有する2ティア展開において、より高いスペクトル再利用とネットワーク容量の向上を可能にする。
• 結果から、ユニバーサル周波数再利用を有する強固で高容量な2ティアセルラーネットワークを実現するには、時間ホッピングとセクタ化といった物理層技術が不可欠であることが示された。