[论文解读] Optimal Base Station Antenna Downtilt in Downlink Cellular Networks

Junnan Yang, Ming Ding+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文提出了一种分析框架，用于确定三维超密集下行链路蜂窝网络中基站（BS）天线下倾角的最优值，以在信号强度与小区间干扰之间取得平衡。通过使用随机几何模型对路径损耗和波束成形增益进行建模，推导出可数值求解的最优下倾角表达式，该表达式可最大化覆盖概率和面积 spectral efficiency（ASE），并将 ASE 崩溃现象推迟近一个数量级（在 BS 密度方面）。

ABSTRACT

From very recent studies, the area spectral efficiency (ASE) performance of downlink (DL) cellular networks will continuously decrease and finally to zero with the network densification in a fully loaded ultra-dense network (UDN) when the absolute height difference between a base station (BS) antenna and a user equipment (UE) antenna is larger than zero, which is referred as the ASE Crash. We revisit this issue by considering the impact of the BS antenna downtilt on the downlink network capacity. In general, there exists a height difference between a BS and a UE in practical networks. It is common to utilize antenna downtilt to adjust the direction of the vertical antenna pattern, and thus increase received signal power or reduce inter-cell interference power to improve network performance. This paper focuses on investigating the relationship between the base station antenna downtilt and the downlink network capacity in terms of the coverage probability and the ASE. The analytical results of the coverage probability and the ASE are derived, and we find that there exists an optimal antenna downtilt to achieve the maximal coverage probability for each base station density. Moreover, we derive numerically solvable expressions for the optimal antenna downtilt, which is a function of the base station density. Our theoretical and numerical results show that after applying the optimal antenna downtilt, the network performance can be improved significantly. Specifically, with the optimal antenna downtilt, the ASE crash can be delayed by nearly one order of magnitude in terms of the base station density.

研究动机与目标

• 为解决在存在基站（BS）与用户设备（UE）天线高度差的情况下，随着基站密度增加，面积谱效率（ASE）下降至零的 ASE 崩溃现象，提出在超密集网络（UDNs）中应对该问题的方案。
• 在三维随机几何模型中，分析天线下倾角对下行链路网络性能的影响，特别是覆盖概率和 ASE。
• 推导出可解析处理的最优天线下倾角表达式，以在给定的 BS 密度下最大化覆盖概率。
• 量化最优下倾角如何缓解 ASE 崩溃，并在实际超密集网络部署中提升整体网络容量。

提出的方法

• 采用泊松点过程对 BS 位置进行建模，并结合视 Line-of-Sight（LoS）和非视 Line-of-Sight（NLoS）传播，路径损耗具有距离和角度相关性。
• 引入一种依赖于 UE 与 BS 之间夹角的定向天线增益模型，通过高斯波束成形函数 G(φ, θr, θtilt) 进行建模。
• 通过积分 LoS 和 NLoS 链路贡献，推导出覆盖概率的闭式表达式，同时考虑 LoS 和 NLoS 干扰以及热噪声。
• 利用随机几何方法计算聚合干扰的拉普拉斯变换，从而实现对信干噪比（SINR）的可 tractable（可处理）分析。
• 通过令覆盖概率关于下倾角的导数为零，推导出最优下倾角，得到一个包含三部分的数值可解方程：噪声、LoS 干扰和 NLoS 干扰。
• 通过数值评估验证了分析结果，显示在最优下倾角下，ASE 和覆盖概率均获得性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三维超密集网络中，针对给定的基站密度，使覆盖概率最大化的最优基站天线下倾角是什么？
• RQ2 天线下倾角如何影响下行链路蜂窝网络中接收信号功率与小区间干扰之间的权衡？
• RQ3 在存在非零 BS-UE 高度差的超密集网络中，最优天线下倾角能在多大程度上延迟或缓解 ASE 崩溃？
• RQ4 LoS 和 NLoS 传播条件如何共同影响最优下倾角及网络性能指标？

主要发现

• 对于每个基站密度，均存在一个唯一的最优天线下倾角，该角度通过信号增益与干扰抑制之间的权衡实现覆盖概率最大化。
• 最优下倾角被表示为 BS 密度的数值可解函数，其表达式综合考虑了噪声、LoS 干扰和 NLoS 干扰三部分贡献。
• 应用最优下倾角可将近一个数量级的基站密度延迟 ASE 崩溃（即在网络超密集化过程中 ASE 降为零的点），显著延缓该现象的发生。
• 推导并验证了在最优下倾角下覆盖概率和 ASE 的分析表达式，结果表明其性能显著优于传统的固定下倾角方案。
• 结果表明，通过最优下倾角实现的垂直波束成形在存在 BS 与 UE 天线高度差的实际超密集网络中，对于维持高谱效率至关重要。