[论文解读] A New Capacity Scaling Law in Ultra-Dense Networks.

Ming Ding, David López‐Pérez+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 9被引用 13

一句话总结

本文揭示了在实际条件下（非零基站-用户设备（BS-UE）天线高度差和有限用户设备（UE）密度）下，由于信号和干扰功率受限，超密集网络（UDNs）中空间谱复用（SSR）存在根本性限制。本文提出了一种恒定容量扩展律，并证明存在一个最优SSR密度，超过该密度后激活所有小型基站将导致网络容量下降。

ABSTRACT

The aggressive spatial spectrum reuse (SSR) by network densification using smaller cells has successfully driven the wireless communication industry onward in the past decades. In our future journey toward ultra-dense networks (UDNs), a fundamental question needs to be answered. Is there a limit to SSR? In other words, when we deploy thousands or millions of small cell base stations (BSs) per square kilometer, is activating all BSs on the same time/frequency resource the best strategy? In this paper, we present theoretical analyses to answer such question. In particular, we find that both the signal and interference powers become bounded in practical UDNs with a non-zero BS-to-UE antenna height difference and a finite UE density, which leads to a constant capacity scaling law. As a result, there exists an optimal SSR density that can maximize the network capacity. Hence, the limit to SSR should be considered in the operation of future UDNs.

研究动机与目标

• 研究随着基站密度增加，超密集网络（UDNs）中的空间谱复用（SSR）是否存在根本性限制。
• 分析实际传播条件——特别是非零BS-UE天线高度差和有限用户设备（UE）密度——对网络容量扩展的影响。
• 确定在极高密度下，是否仍应同时在相同时频资源上激活所有基站。
• 在实际约束条件下推导UDNs的理论容量扩展律，并确定最优SSR密度的存在性。

提出的方法

• 在包含非零BS-UE天线高度差的实际传播条件下，对UDNs中信号与干扰功率行为进行理论分析。
• 对超密集部署中有限UE分布和非理想传播几何结构下的路径损耗与阴影效应进行建模。
• 推导基站密度增加时接收信号功率与总干扰功率的渐近行为。
• 识别在有限UE密度和非零高度差条件下，信号与干扰功率的有界性，从而导出恒定容量扩展律。
• 通过数学推导表明，由于干扰饱和，网络容量不会随基站密度无限增长。
• 分析能最大化网络容量的最优空间谱复用（SSR）密度，该结果源于谱复用增益与干扰增长之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管基站密度持续增加，超密集网络（UDNs）中的空间谱复用（SSR）是否存在根本性上限？
• RQ2 非零BS-UE天线高度差和有限UE密度如何影响UDNs中信号与干扰功率的扩展行为？
• RQ3 在实际传播条件下，能否为UDNs推导出恒定容量扩展律？
• RQ4 是否存在一个最优的活跃基站密度，可使网络容量最大化，而非激活所有基站？
• RQ5 当干扰和信号功率趋于有界时，UDNs的频谱效率理论极限是什么？

主要发现

• 在包含非零BS-UE天线高度差和有限UE密度的实际条件下，UDNs中的信号与干扰功率趋于有界。
• 因此，网络容量以恒定值扩展，而非随基站密度无限增长，从而形成恒定容量扩展律。
• 容量有界性的存在意味着在极高密度下，同时在相同时频资源上激活所有基站并非最优策略。
• 存在一个最优的空间谱复用（SSR）密度，可使网络容量最大化，超过该密度后，干扰增长将超过谱复用增益。
• 在设计和运行未来超密集网络时，必须考虑SSR的理论极限，以避免性能下降。
• 研究结果挑战了“更密集部署总能获得更高容量”的假设，凸显了UDN部署策略中存在关键权衡。