[论文解读] Cell planning for mobility management in heterogeneous cellular networks

Arpan Chattopadhyay, Bartłomiej Błaszczyszyn+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 19被引用 3

一句话总结

本文提出一种异构双层蜂窝网络，其中移动用户仅由宏基站服务，以减少切换频率和数据中断，而静止用户则由宏基站和微基站共同服务。利用随机几何方法，作者推导出在频谱效率和功率约束下，使两类用户吞吐量最大化的最优功率水平和宏基站比例，表明在某些条件下，同质网络设计为最优。

ABSTRACT

In small cell networks, high mobility of users results in frequent handoff and thus severely restricts the data rate for mobile users. To alleviate this problem, we propose to use heterogeneous, two-tier network structure where static users are served by both macro and micro base stations, whereas the mobile (i.e., moving) users are served only by macro base stations having larger cells; the idea is to prevent frequent data outage for mobile users due to handoff. We use the classical two-tier Poisson network model with different transmit powers (cf [1]), assume independent Poisson process of static users and doubly stochastic Poisson process of mobile users moving at a constant speed along infinite straight lines generated by a Poisson line process. Using stochastic geometry, we calculate the average downlink data rate of the typical static and mobile (i.e., moving) users, the latter accounted for handoff outage periods. We consider also the average throughput of these two types of users defined as their average data rates divided by the mean total number of users co-served by the same base station. We find that if the density of a homogeneous network and/or the speed of mobile users is high, it is advantageous to let the mobile users connect only to some optimal fraction of BSs to reduce the frequency of handoffs during which the connection is not assured. If a heterogeneous structure of the network is allowed, one can further jointly optimize the mean throughput of mobile and static users by appropriately tuning the powers of micro and macro base stations subject to some aggregate power constraint ensuring unchanged mean data rates of static users via the network equivalence property (see [2]).

研究动机与目标

• 解决小小区网络中因频繁切换导致移动用户吞吐量严重下降的问题。
• 设计一种异构网络架构，使移动用户仅由宏基站服务，以减少切换频率和数据中断。
• 联合优化宏基站和微基站的发射功率以及宏基站比例，以最大化移动用户和静止用户的平均吞吐量。
• 在总功率约束下，通过网络等价性确保静止用户的平均数据速率保持不变。
• 提供基于随机几何的分析框架，用于评估在移动感知小区规划中的用户性能。

提出的方法

• 将网络建模为具有不同发射功率的宏基站和微基站的双层泊松过程。
• 假设静止用户服从泊松点过程，而移动用户以恒定速度沿由泊松线过程生成的随机直线移动。
• 利用随机几何方法计算典型移动用户和静止用户的平均下行数据速率，同时考虑切换中断时段的影响。
• 将用户吞吐量定义为数据速率除以每个基站同时服务的用户平均数量。
• 应用约束优化框架，联合调节在总功率约束下的宏基站比例和发射功率。
• 利用网络等价性特性，在优化移动用户性能的同时保持静止用户的用户数据速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在异构网络中，使移动用户切换相关数据中断最小化的宏基站最优比例是多少？
• RQ2 用户移动速度和网络密度如何影响移动用户切换频率与数据速率之间的权衡？
• RQ3 与同质小小区部署相比，采用仅由宏基站服务移动用户的异构网络架构是否能提升整体系统吞吐量？
• RQ4 在何种条件下，同质网络设计（即宏基站与微基站发射功率相等）能成为平衡移动用户与静止用户吞吐量的最优选择？
• RQ5 用户速度分布和基站密度的选择如何影响最优小区规划策略？

主要发现

• 当移动用户速度、切换时间与网络密度平方根的乘积较大时，最优策略是仅将移动用户限制在部分基站上，以减少切换频率和中断。
• 对于高速移动用户或高密度网络，仅通过宏基站服务移动用户可显著提高其平均数据速率，从而最小化切换相关中断。
• 当对静止用户吞吐量的权重较高时，最优设计通常导致同质网络（即宏基站与微基站发射功率相等），这是由于移动用户速率对功率和比例参数高度敏感。
• 网络等价性特性使得在优化移动用户性能的同时，仍能保持静止用户的用户数据速率不变。
• 数值结果表明，尽管宏基站覆盖范围更大，但其仍能通过减少切换信令和中断显著提升移动用户吞吐量。
• 最优解取决于用户密度、移动速度以及最大发射功率和基站可用性等系统约束。