[论文解读] On Spectrum and Infrastructure Sharing in Multi-Operator Cellular Networks

Shanshan Wang, Konstantinos Samdanis+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的数学框架，用于分析和优化共享频谱与基础设施的多运营商蜂窝网络。通过将基站位置建模为泊松点过程，并利用矩生成函数计算干扰，研究结果表明，在最优条件下，联合频谱与基础设施共享可使总平均数据速率显著提升，最高可达非共享系统的2.5倍。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a mathematical framework for analyzing and optimizing multi-operator cellular networks that are allowed to share spectrum licenses and infrastructure elements. The proposed approach exploits stochastic geometry for modeling the locations of cellular base stations and for computing the aggregate average rate. The trade-offs that emerge from sharing spectrum frequencies and cellular base stations are quantified and discussed.

研究动机与目标

• 开发一种用于分析共享频谱许可与物理基础设施的多运营商蜂窝网络的系统级数学框架。
• 在现实部署条件下，量化联合频谱与基础设施共享在总平均速率方面的性能增益。
• 采用非视 Line-of-Sight (LOS)/非视 Line-of-Sight (NLOS) 链路状态对异构路径损耗进行建模，并应用随机几何方法计算干扰与速率度量。
• 评估在系统级性能方面，频谱共享（正交与非正交）与基础设施共享之间的权衡。
• 提供一种可推广的分析模型，适用于 sub-6 GHz 和毫米波蜂窝网络。

提出的方法

• 将每个运营商的基站位置建模为独立的同质泊松点过程（PPPs），密度为 λ。
• 采用双球路径损耗模型，包含 LOS 与 NLOS 状态，其中路径损耗定义为 $ l_S(r) = k r^{α_S} $，路径损耗指数分别为 $ \alpha_{\text{LOS}} = 2.5 $，$ \alpha_{\text{NLOS}} = 3.5 $。
• 应用随机几何工具，通过 LOS 与 NLOS 层次的干扰矩生成函数（MGFs）计算干扰功率的累积分布函数。
• 通过对接收干扰 MGF 的积分运算，并引入高斯超几何函数，推导出在基础设施与频谱共享条件下总平均速率 $ \widetilde{R}_i $ 的闭式表达式。
• 引入 $ \overline{J}_i(x) $ 与 $ \widetilde{J}_i(x) $ 作为涉及干扰 MGF 的积分，以支持不同共享模式下的速率计算。
• 使用数值积分与优化方法，计算在共享与非共享配置下使总速率最大化的最优基站密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合频谱与基础设施共享对多运营商蜂窝网络中总平均数据速率有何影响？
• RQ2 不同的发射功率比与带宽分配如何影响频谱与基础设施共享的性能增益？
• RQ3 在共享与非共享网络配置下，使总速率最大化的最优基站密度是多少？
• RQ4 引入 LOS/NLOS 传播模型后，对共享与非共享系统之间的性能比较有何影响？
• RQ5 在密集多运营商部署中，基础设施共享在多大程度上可弥补频谱资源有限的问题？

主要发现

• 在最优基站密度下，频谱与基础设施共享可使总平均速率相比非共享系统最高提升 2.5 倍，高负载场景下增益超过 200%。
• 当 $ W_2/W_1 = 5 $ 且 $ P_2/P_1 = 5 $ 时，共享系统的总速率达 780.3 Mbps，而非共享配置仅为 403.4 Mbps。
• 当两个运营商均具有高带宽与高发射功率时，性能增益最为显著，表明在非对称但高容量条件下，共享最具优势。
• 即使带宽比为 5 倍（$ W_2/W_1 = 5 $），非共享系统最高仅达 403.4 Mbps，而共享系统可达到 780.3 Mbps，表明性能提升接近 2 倍。
• 使速率最大化的最优基站密度在共享与非共享配置下存在差异，表明共享改变了网络部署的权衡关系。
• 所提出的框架能准确捕捉 LOS 与 NLOS 链路的干扰，表明路径损耗建模对毫米波与 sub-6 GHz 频段性能预测具有显著影响。