[论文解读] Performance Impact of Base Station Antenna Heights in Dense Cellular Networks

Ming Ding, David López‐Pérez|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文揭示，在超密集蜂窝网络（UDNs）中，若基站（BS）天线高于用户设备（UE）天线，随着BS密度增加，网络性能——以覆盖率和面积频谱效率（ASE）衡量——将退化至零，这与先前认为ASE可线性增长的假设相矛盾。关键发现是：将BS天线高度降低至与UE齐平可缓解这一崩溃现象，并恢复网络容量，要求对BS部署架构进行根本性重构。

ABSTRACT

In this paper, we present a new and significant theoretical discovery. If the absolute height difference between base station (BS) antenna and user equipment (UE) antenna is larger than zero, then the network performance in terms of both the coverage probability and the area spectral efficiency (ASE) will continuously decrease toward zero as the BS density increases for ultra-dense (UD) small cell networks (SCNs). Such findings are completely different from the conclusions in existing works, both quantitatively and qualitatively. In particular, this performance behavior has a tremendous impact on the deployment of UD SCNs in the 5th-generation (5G) era. Network operators may invest large amounts of money in deploying more network infrastructure to only obtain an even less network capacity. Our study results reveal that one way to address this issue is to lower the SCN BS antenna height to the UE antenna height. However, this requires a revolutionized approach of BS architecture and deployment, which is explored in this paper too.

研究动机与目标

• 研究基站（BS）天线高度对超密集网络（UDNs）中网络性能的影响。
• 挑战长期以来认为增加BS密度始终能提升面积频谱效率（ASE）的假设。
• 识别当BS天线高于用户设备（UE）天线时，UDN性能崩溃的根本原因。
• 提出一种新型部署策略——将BS天线高度降低至UE水平——作为恢复UDN中网络容量的解决方案。
• 利用随机几何与3GPP信道模型建立理论基础，量化性能权衡。

提出的方法

• 将UDN建模为具有随机几何技术的齐次泊松点过程（HPPP）的BS集合。
• 结合包含视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）传播条件的现实3GPP路径损耗模型。
• 推导在BS与UE天线高度差变化条件下，覆盖率和ASE的闭式表达式。
• 引入一种近似技术，用于距离 $ w = \tilde{w} = \begin{cases} L, & 0 \to v_1 \\ \frac{r+L}{\bar{2}}, & v_1 \to v_2 \\ r, & r > v_2 \end{cases} $，其中 $ v_1 = (\bar{2}-1)L, v_2 = (\bar{2}+1)L $（切换点），以提高积分的可处理性。
• 利用聚合干扰 $ I_{\text{agg}} $ 的拉普拉斯变换计算覆盖率。
• 将推导出的表达式应用于分析BS密度不断增加时的ASE行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 BS与UE天线之间的绝对高度差如何影响超密集网络中的覆盖率和ASE？
• RQ2 为何当BS高于UE时，随着BS密度增加，网络性能会退化至零？
• RQ3 在真实传播条件下，导致UDN中ASE崩溃的根本机制是什么？
• RQ4 能否通过将BS天线高度降低至UE水平来逆转性能崩溃并恢复ASE的线性增长？
• RQ5 实施低BS天线高度UDN策略需要哪些架构与部署上的改变？

主要发现

• 当BS天线高于UE天线时，覆盖率和ASE随BS密度增加而单调递减至零，与先前认为ASE可线性增长的假设相矛盾。
• 性能崩溃的原因是干扰链路从NLoS向LoS转变，导致干扰功率的增长速度超过信号功率，这是由于网络超密集化所致。
• 将BS天线高度降低至与UE齐平可消除性能崩溃，并恢复ASE与密度的线性关系。
• 当BS密度超过约20个BS/km²时，会出现ASE爬行现象——即ASE增长放缓甚至逆转——这是由于干扰路径中LoS/NLoS的转变所致。
• 在极高密度下（>1000个BS/km²），ASE可重新恢复并实现线性增长，使用300 MHz带宽时峰值吞吐量可达1000 Gbps/km²。
• 所提出的解决方案要求在BS部署架构上实现根本性变革，即从传统的高架宏蜂窝或小蜂窝部署，转向地面水平、低高度的部署方式。