[论文解读] Energy-Efficient Design of MIMO Heterogeneous Networks with Wireless Backhaul

Howard H. Yang, Giovanni Geraci+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering参考文献 52被引用 17

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的框架，用于分析具有无线回传的两层MIMO异构网络中的能量效率，同时考虑上行链路和下行链路传输。结果表明，接入链路与回传链路之间最优的带宽分配可显著提升能量效率，尤其是在高负载条件下；且MIMO回传可使异构网络（HetNets）的能量效率远超传统单层网络。

ABSTRACT

As future networks aim to meet the ever-increasing requirements of high data rate applications, dense and heterogeneous networks (HetNets) will be deployed to provide better coverage and throughput. Besides the important implications for energy consumption, the trend towards densification calls for more and more wireless links to forward a massive backhaul traffic into the core network. It is critically important to take into account the presence of a wireless backhaul for the energy-efficient design of HetNets. In this paper, we provide a general framework to analyze the energy efficiency of a two-tier MIMO heterogeneous network with wireless backhaul in the presence of both uplink and downlink transmissions. We find that under spatial multiplexing the energy efficiency of a HetNet is sensitive to the network load, and it should be taken into account when controlling the number of users served by each base station. We show that a two-tier HetNet with wireless backhaul can be significantly more energy efficient than a one-tier cellular network. However, this requires the bandwidth division between radio access links and wireless backhaul to be optimally designed according to the load conditions.

研究动机与目标

• 为具有无线回传的两层MIMO异构网络中的能量效率开发一个通用的分析框架。
• 建立并量化无线回传对网络能量效率的影响，包括信号处理和干扰引起的功耗。
• 研究网络负载和用户关联对密集异构网络部署中能量效率的影响。
• 针对最大能量效率，优化无线接入链路与回传链路之间的带宽分配。
• 证明基于MIMO的无线回传可显著提升整体网络能量效率，相较于传统蜂窝网络具有明显优势。

提出的方法

• 将宏基站（MBSs）、小细胞接入点（SAPs）和用户设备（UEs）的位置建模为相互独立的齐次泊松点过程（PPPs）。
• 应用随机几何方法，表征具有随机拓扑的大规模异构网络中的干扰与覆盖特性。
• 利用随机矩阵理论，对在迫零预编码与合并下MIMO信道效应进行确定性建模。
• 通过拉普拉斯变换和矩生成函数，推导出接入链路与回传链路上行链路和下行链路速率的闭式表达式。
• 将MBS、SAP和回传链路的功耗模型整合到能量效率度量中。
• 对路径损耗分布下的速率表达式进行去条件化处理，以推导出平均可实现速率与能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 无线回传的存在如何影响两层MIMO异构网络的能量效率？
• RQ2 在不同网络负载条件下，无线接入与回传链路之间的最优带宽分配是什么？
• RQ3 空间复用在具有无线回传的异构网络中如何影响能量效率？
• RQ4 与单层蜂窝网络相比，MIMO回传能在多大程度上提升能量效率？
• RQ5 负载条件与用户关联策略在多大程度上影响网络的整体能量效率？

主要发现

• 具有无线回传的MIMO异构网络中的能量效率对网络负载高度敏感，因此需要采用负载感知的用户关联与资源控制机制。
• 接入链路与回传链路之间最优的带宽分配可显著提升能量效率，尤其在高负载条件下效果更明显。
• 采用MIMO无线回传的两层异构网络相比单层蜂窝网络，可实现显著更高的能量效率。
• 回传链路的功耗与宏基站相当，因此在能量效率设计中是关键影响因素。
• 所推导的分析框架能够准确预测在包含干扰与衰落的真实网络条件下的能量效率。
• 在MIMO回传链路中采用迫零预编码与合并技术，可使SINR表达式趋于确定性，从而实现可 tractable 的性能分析。