[论文解读] Efficiency Analysis of Decoupled Downlink and Uplink Access in Heterogeneous Networks

Katerina Smiljkovikj, Liljana Gavrilovska+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文提出一种两级异构蜂窝网络，结合下行链路与上行链路接入的解耦机制，并采用两级上行链路功率自适应技术，以同时提升频谱效率与能量效率。利用随机几何方法，作者推导出联合关联概率与距离分布，结果表明，通过自适应功率控制实现的解耦机制可在不增加带宽或发射功率的前提下提升系统效率。

ABSTRACT

This paper analyzes two-tier heterogeneous cellular network with decoupled downlink and uplink access. The basic performance benefits of uplink/downlink decoupling have been recently introduced. Here we provide a more elaborate treatment of the decoupling mechanism by analyzing spectral and energy efficiency of the system, as the joint improvement of these two features is crucial for the upcoming 5G systems. Contrary to the common assumption of a homogeneous user domain, we analyze two-tier user domain, whose transmit powers depend purely on the association process. The derived joint association probabilities and the distributions of the distance to the serving base station give deeper insight into the fundamentals of a system with decoupled access. The rigorous theoretical analysis shows that decoupling of downlink and uplink with two-level uplink power adaptation improves both, spectral and energy efficiency of the system.

研究动机与目标

• 分析两级异构网络中下行链路与上行链路接入解耦的性能。
• 评估在接入解耦与功率自适应共同作用下对频谱效率与能量效率的联合影响。
• 建立异构用户场景模型，其中用户发射功率取决于关联过程，而非固定于每个用户。
• 研究在密集且用户密集的环境中，上行链路功率自适应对系统级性能指标的影响。
• 为实现5G效率目标，提供在接入解耦场景下优化上行链路功率的理论基础。

提出的方法

• 采用泊松点过程（PPP）对宏基站（MBSs）与微基站（SBSs）进行建模，同时对用户进行建模。
• 应用斯利夫尼亚科夫定理分析位于原点的典型用户，从而实现可处理的随机几何分析。
• 基于信干噪比（SINR）与路径损耗，推导出下行链路与上行链路的联合关联概率。
• 提出一种两级上行链路功率自适应方案，其中 $ Q_M $ 与 $ Q_S $ 根据服务基站类型进行调整。
• 利用推导出的距离分布，计算不同功率自适应策略下的频谱效率与能量效率指标。
• 对比三种系统配置：无解耦、解耦但无功率自适应、解耦且采用两级功率自适应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两级异构网络中，下行链路与上行链路接入解耦如何影响频谱效率与能量效率的联合性能？
• RQ2 与固定功率或无功率自适应相比，两级上行链路功率自适应对系统级性能的影响如何？
• RQ3 在接入解耦与传统关联方式下，服务基站的关联概率与距离分布有何差异？
• RQ4 在何种参数范围内，解耦结合功率自适应在频谱效率与能量效率方面均优于传统系统？
• RQ5 在接入解耦条件下，$ Q_S/Q_M $ 与 $ P_S/P_M $ 的比值在实现性能增益中起何种作用？

主要发现

• 下行链路与上行链路接入解耦可提升频谱效率与能量效率，且无需增加带宽或发射功率。
• 采用两级上行链路功率自适应的系统，其平均频谱效率高于仅采用解耦或未采用解耦的系统。
• 能量效率取决于上行链路发射功率 $ Q_M $ 与 $ Q_S $ 的绝对值，而频谱效率仅取决于其比值。
• 存在一个区域满足 $ Q_M > Q_S $，可同时提升频谱效率与能量效率，表明存在有利的工作点。
• 即使发射功率相同，解耦系统的平均能量效率始终优于非解耦系统，这是由于其频谱效率更高。
• 所提出的解耦接入与功率自适应模型通过负载均衡，为覆盖受限区域的用户提供了公平性，从而改善了整体性能。