[论文解读] Hybrid Cellular/WLAN with Wireless Offloading: Enabling Next Generation Wireless Networks.

Petros S. Bithas, Athanasios S. Lioumpas+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用 4

一句话总结

本文提出一种混合蜂窝/WLAN网络，采用无线卸载机制，其中WLAN接入点共享其蜂窝回传链路，以将用户从宏小区卸载。通过在单个宏小区内实现频率复用1并最小化小区间干扰，该方案在相同衰落和非相同衰落条件下均实现了更高的遍历容量和信号干扰加噪声比（SINR），并为关键性能指标推导出闭式表达式。

ABSTRACT

The exploitation of already deployed wireless local area networks (WLAN)s (e.g., WiFi access points (AP)s) has attracted considerable attention, as an efficient and practical method to improve the performance of beyond 4G wireless networks. In this paper, we propose a novel communication paradigm to satisfy the performance demands of future wireless networks: a hybrid Cellular/WLAN network architecture with wireless offloading. In contrast to the commonly adopted practice of WiFi offloading, where the WLAN APs have a wired backhaul (e.g., Digital Subscriber Line), we propose a wireless offloading approach, where the WLAN APs will share their wireless cellular broadband connection with other users. These users will select their serving node, i.e., the macro-cell eNodeB or a WLAN AP, based on a certain selection criterion. Thus a challenging research field is originated, where interfering effects and wireless resources limitations play a dominant role. Important performance metrics of the proposed hybrid scheme, including the bit error probability, the ergodic capacity and the average signal-to-interference-plus noise ratio, are theoretically studied and closed form expressions are derived for the single-user case with multiple interferers, for both identical and non-identical fading conditions. Also, based on the general multi-cellular hybrid WLAN-Cellular concept, we first propose a intercell interference minimization approach. Then we present a novel scheme for achieving frequency reuse equal to one within a single macro-cell, under specific performance criteria and constraints, that guarantee the overall cell or the individual user QoS requirements.

研究动机与目标

• 为解决后4G无线网络中对更高数据速率和网络容量日益增长的需求。
• 克服传统WiFi卸载的局限性，后者依赖有线回传，无法在密集部署中实现高效扩展。
• 开发一种新型无线卸载机制，其中WLAN接入点（AP）与用户共享其蜂窝回传链路，实现可扩展且成本效益高的容量增强。
• 在多小区混合网络中最小化小区间干扰，同时保持对单个用户和整个小区的服务质量（QoS）。
• 推导出在真实衰落条件下关键性能指标（如误比特率、遍历容量和平均SINR）的闭式表达式。

提出的方法

• 提出一种混合蜂窝/WLAN架构，其中WLAN接入点（AP）使用无线蜂窝回传而非有线回传，从而实现动态用户卸载。
• 引入一种用户关联机制，用户根据预定义的选择准则选择其服务节点——即宏小区eNodeB或WLAN AP。
• 推导出在存在多个干扰源的单用户场景下，误比特率、遍历容量和平均信号干扰加噪声比（SINR）的闭式表达式。
• 同时考虑相同衰落和非相同衰落条件，以建模真实的无线传播环境。
• 提出一种专为多小区混合WLAN-蜂窝框架设计的小区间干扰最小化方法。
• 提出一种新颖方案，可在单个宏小区内实现频率复用1，且在严格QoS约束下确保满足小区级和用户级性能要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用WLAN AP作为蜂窝回传的一部分，以支持用户卸载，而无需依赖有线基础设施？
• RQ2 在误比特率、遍历容量和SINR方面，混合蜂窝/WLAN网络采用无线卸载的理论性能极限是什么？
• RQ3 在多干扰源场景下，非相同衰落条件如何影响系统性能？
• RQ4 哪些干扰管理技术可在单个宏小区内实现频率复用1，同时保持QoS？
• RQ5 为确保单个用户和整个小区的QoS，必须满足哪些约束和性能标准？

主要发现

• 在相同和非相同瑞利衰落条件下，针对存在多个干扰源的单用户场景，推导出误比特率、遍历容量和平均SINR的闭式表达式。
• 所提出的无线卸载方案可在单个宏小区内实现频率复用1，显著提升频谱效率。
• 小区间干扰最小化方法在所提约束条件下，有效维持了单个用户和整个小区的QoS。
• 性能指标显示，通过优化用户关联和干扰控制，遍历容量得到提升，误码率降低。
• 理论分析证实，在真实衰落和干扰条件下，采用无线卸载的混合架构具有可行性与可扩展性。
• 该方案通过利用WLAN AP处的现有蜂窝回传资源，支持高用户数据速率和网络容量增益。