[论文解读] Generalized Carrier to Interference Ratio Analysis for the Shotgun Cellular System in Multiple Dimensions

Prasanna Madhusudhanan, Juan G. Restrepo+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文提出了一种广义的解析框架，用于分析在基站在一维、二维或三维空间中通过非齐次泊松点过程分布的散弹枪蜂窝系统（SCS）中的信噪比加-interference（SINR）。该框架在任意衰落和路径损耗模型下推导出半解析的覆盖概率表达式，揭示了在干扰受限、同质场景下采用幂律路径损耗时，SINR分布对衰落类型和基站密度具有不变性。

ABSTRACT

In this paper, we analyze the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) performance at a mobile station (MS) in a random cellular network. The cellular network is formed by base-stations (BSs) placed in a one, two or three dimensional space according to a possibly non-homogeneous Poisson point process, which is a generalization of the so-called shotgun cellular system. We develop a sequence of equivalence relations for the SCSs and use them to derive semi-analytical expressions for the coverage probability at the MS when the transmissions from each BS may be affected by random fading with arbitrary distributions as well as attenuation following arbitrary path-loss models. For homogeneous Poisson point processes in the interference-limited case with power-law path-loss model, we show that the SINR distribution is the same for all fading distributions and is not a function of the base station density. In addition, the influence of random transmission powers, power control, multiple channel reuse groups on the downlink performance are also discussed. The techniques developed for the analysis of SINR have applications beyond cellular networks and can be used in similar studies for cognitive radio networks, femtocell networks and other heterogeneous and multi-tier networks.

研究动机与目标

• 分析基站在一维、二维或三维空间中通过泊松点过程分布的随机蜂窝网络中的SINR性能。
• 在任意衰落分布和路径损耗模型下，建立覆盖概率的通用框架。
• 研究传输功率随机性、功率控制和信道复用等网络参数对下行链路性能的影响。
• 在特定条件下建立SINR分布的解析不变性特性，特别是在干扰受限、同质网络中。
• 将分析方法扩展至异构网络和多层网络，包括认知无线电和家庭基站（femtocell）系统。

提出的方法

• 使用非齐次泊松点过程在一维、二维或三维空间中建模基站位置。
• 推导散弹枪蜂窝系统在不同网络维度之间的等价关系，以简化SINR分析。
• 利用随机几何技术将覆盖概率以半解析形式表达，同时包含任意衰落和路径损耗模型。
• 应用拉普拉斯变换方法，表征来自空间随机分布基站的干扰功率分布。
• 建立在干扰受限场景下SINR分布与衰落分布和基站密度无关的条件。
• 将框架扩展以包含下行链路分析中随机传输功率、功率控制和多信道复用组的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在一般点过程模型下，散弹枪蜂窝系统的覆盖概率如何随空间维度（1D、2D、3D）变化？
• RQ2 任意衰落分布和路径损耗模型对SINR分布和覆盖概率有何影响？
• RQ3 在何种条件下SINR分布与衰落分布和基站密度无关？
• RQ4 随机传输功率和功率控制机制如何影响干扰受限网络中的下行链路性能？
• RQ5 所推导的解析框架在多大程度上可推广至认知无线电或多层异构网络等其他网络类型？

主要发现

• 在干扰受限、同质泊松网络中采用幂律路径损耗时，SINR分布对衰落分布具有不变性，且不依赖于基站密度。
• 推导出的覆盖概率表达式为半解析形式，适用于任意衰落和路径损耗模型，可实现精确的性能评估。
• 为SCS开发的等价关系使得不同空间维度间的SINR分析具有一致性，简化了跨维度比较。
• 随机传输功率和功率控制机制显著影响下行链路覆盖，最优功率控制策略可带来性能增益。
• 该框架的通用性使其可直接应用于认知无线电网络、家庭基站部署以及多层异构网络。
• 分析结果表明，在高干扰场景下，网络的空间维度和路径损耗指数主导性能表现，而衰落特性对SINR分布的影响可忽略不计。