[论文解读] A Comparison Study of Coupled and Decoupled Uplink Heterogeneous Cellular Networks

Lan Zhang, Gang Feng+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文利用随机几何方法，对比了异构蜂窝网络（HetNets）中耦合与非耦合上行链路（UL）/下行链路（DL）接入方式，通过分数功率控制（FPC）建模动态上行链路功率控制。结果表明，非耦合上行链路/下行链路接入（DUDA）在系统速率、频谱效率和能量效率方面显著优于传统的耦合接入（CUDA），同时改善了基站与用户之间的负载均衡与公平性。

ABSTRACT

The evolution of mobile cellular networks has brought great changes of network architecture. For example, heterogeneous cellular network (HetNet) and Ultra dense network (UDN) have been proposed as promising techniques for 5G systems. Dense deployment of base stations (BSs) allows a mobile user to be able to access multiple BSs. Meanwhile the unbalance between UL and DL in HetNets, such as different received SINR threshold and traffic load, etc., becomes increasingly obvious. All these factors naturally inspire us to consider decoupling of uplink and downlink in radio access network. An interesting question is that whether the decoupled uplink (UL) /downlink (DL) access (DUDA) mode outperforms traditional coupled uplink (UL)/downlink (DL) access (CUDA) mode or not, and how big is the performance difference in terms of system rate, spectrum efficiency (SE) and energy efficiency (EE), etc. in HetNets. In this paper, we aim at thoroughly comparing the performance of the two modes based on stochastic geometry theory. In our analytical model, we take into account dynamic transmit power control in UL communication. Specifically, we employ fractional power control (FPC) to model a location-dependent channel state. Numerical results reveals that DUDA mode significantly outperforms CUDA mode in system rate, SE and EE in HetNets. In addition, DUDA mode improves load balance and potential fairness for both different type BSs and associated UEs.

研究动机与目标

• 研究非耦合上行链路/下行链路接入（DUDA）是否在异构蜂窝网络中优于传统的耦合上行链路/下行链路接入（CUDA）。
• 评估DUDA对系统速率、频谱效率（SE）和能量效率（EE）等关键性能指标的影响。
• 分析在DUDA与CUDA模式下，HetNets中负载均衡与公平性的改善情况。
• 利用分数功率控制（FPC）对位置相关的信道状态进行建模，以表征上行链路传输。
• 基于随机几何理论，提供全面的分析对比。

提出的方法

• 作者采用随机几何方法，对异构网络中宏站与小细胞基站（BSs）的空间分布进行建模。
• 上行链路传输通过分数功率控制（FPC）建模，该方法考虑路径损耗及路径损耗指数，以反映位置相关的信道条件。
• 在耦合（CUDA）与非耦合（DUDA）接入模式下评估系统性能，用户在上行链路与下行链路中可独立关联至最佳服务基站。
• 利用随机几何框架，对关键性能指标——系统速率、频谱效率（SE）和能量效率（EE）——进行解析推导。
• 模型引入了动态发射功率控制，并考虑了上行链路与下行链路接收SINR阈值及业务负载的不平衡性。
• 生成数值结果，以在不同网络密集化与负载场景下对比DUDA与CUDA的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HetNets中，非耦合上行链路/下行链路接入（DUDA）是否提供比传统耦合上行链路/下行链路接入（CUDA）更高的系统速率？
• RQ2 在异构蜂窝网络中，DUDA相较于CUDA如何影响频谱效率（SE）与能量效率（EE）？
• RQ3 DUDA在多大程度上改善了不同类型基站与用户设备之间的负载均衡与公平性？
• RQ4 动态上行链路功率控制与路径损耗变化如何影响DUDA相较于CUDA的性能增益？
• RQ5 在实际HetNet部署场景下，DUDA与CUDA之间的定量性能差距是多少？

主要发现

• DUDA在系统速率方面显著优于CUDA，增益主要归因于更优的用户关联与上行链路干扰的降低。
• 由于通过优化用户-基站关联实现了对可用频谱的更高效利用，DUDA下的频谱效率（SE）得到提升。
• 在DUDA模式下，能量效率（EE）得到改善，因为用户可关联至最适合的上行链路传输基站，从而减少发射功率。
• DUDA通过减少高负载基站的拥塞，增强了宏站与小细胞之间的负载均衡。
• DUDA通过使边缘用户能够关联至更强的上行链路服务基站，降低了上行链路中断概率，从而提升了公平性。
• 数值结果证实，DUDA的性能增益在不同网络密集化水平与业务负载条件下均保持一致。