[论文解读] Coverage and capacity scaling laws in downlink ultra-dense cellular networks

Van Minh Nguyen, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文使用带有多斜率路径损耗和一般衰落分布的泊松点过程模型，分析了超密集蜂窝网络中的下行链路覆盖和容量扩展规律。研究发现，当近场路径损耗较弱（β₀ < d）或衰落为轻尾分布时，随着网络密度增加，覆盖和容量呈现‘倒U’型变化，高密度下性能反而下降——揭示了网络超密集化存在根本性限制，进一步部署反而损害性能。

ABSTRACT

Driven by new types of wireless devices and the proliferation of bandwidth-intensive applications, data traffic and the corresponding network load are increasing dramatically. Network densification has been recognized as a promising and efficient way to provide higher network capacity and enhanced coverage. Most prior work on performance analysis of ultra-dense networks (UDNs) has focused on random spatial deployment with idealized singular path loss models and Rayleigh fading. In this paper, we consider a more precise and general model, which incorporates multi-slope path loss and general fading distributions. We derive the tail behavior and scaling laws for the coverage probability and the capacity considering strongest base station association in a Poisson field network. Our analytical results identify the regimes in which the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) either asymptotically grows, saturates, or decreases with increasing network density. We establish general results on when UDNs lead to worse or even zero SINR coverage and capacity, and we provide crisp insights on the fundamental limits of wireless network densification.

研究动机与目标

• 研究在超越理想化模型的现实传播条件下，超密集网络（UDNs）的根本性能极限。
• 通过引入多斜率路径损耗和一般衰落分布，弥补以往研究中仅使用单一路径损耗和瑞利衰落的不足。
• 确定网络超密集化在何种条件下可提升、饱和或降低SINR覆盖和系统容量。
• 识别覆盖和容量在有限网络密度下达到最大值的区域，而非随超密集化单调提升。

提出的方法

• 将基站位置建模为d维平面上的齐次泊松点过程（PPP）。
• 引入具有近场（β₀）和远场（βₖ）区域不同路径损耗指数的多斜率路径损耗模型。
• 采用一般衰落分布（包括重尾分布，如α ∈ (0,1)）来建模快衰落、阴影衰落或复合衰落。
• 利用渐近分析和正规变体理论分析接收信号功率和SINR的尾部行为。
• 推导在最强基站关联下覆盖概率和系统容量的扩展规律。
• 应用Karamata定理和单调密度定理，刻画衰落和干扰分布的渐近行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 多斜率路径损耗如何影响超密集网络中覆盖概率和容量的扩展行为？
• RQ2 在何种条件下，增加网络密度会导致SINR覆盖和系统容量下降？
• RQ3 一般衰落分布（尤其是具有正规变体尾部的衰落）对UDN性能扩展有何影响？
• RQ4 网络超密集化在何时导致性能饱和或退化，而非改善？
• RQ5 在可实现覆盖和容量方面，网络超密集化的根本限制是什么？

主要发现

• 当近场路径损耗指数β₀ < d（网络维度）时，覆盖和容量随网络密度增加呈现‘倒U’型变化，在有限密度下达到峰值后开始下降。
• 若β₀ > d或衰落为重尾分布（即F̄ₘ ∈ R₋ᵅ，且α ∈ (0,1)），随着密度增加，覆盖和容量趋于有限上界并趋于饱和。
• 正规变体衰落分布（F̄ₘ ∈ R₋ᵅ）对性能扩展的影响与路径损耗奇异性相同，导致高密度下性能崩溃。
• 有界路径损耗（β₀ = 0）是β₀ < d的特例，在此类情况下，覆盖和容量均在有限网络密度下达到最大值。
• 所有标准衰落模型（瑞利、对数正态、伽马及其组合）均属于导致覆盖和容量在有限密度下达到峰值的同一类衰落分布。
• 当β₀ > 0且衰落为轻尾分布（α₀ < α）时，覆盖和容量受恒定上界限制，即使密度趋于无穷，该上界也不会消失。