[论文解读] Performance Impact of LoS and NLoS Transmissions in Small Cell Networks

Ming Ding, Peng Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用 15

一句话总结

本文提出了一种改进的路径损耗模型，区分小型蜂窝网络（SCNs）中的视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）传输，分析其对覆盖概率和面积谱效率（ASE）的影响。研究发现，过高的小型蜂窝密度会降低覆盖概率并限制ASE的增长，挑战了以往忽略LoS/NLoS区分的假设。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a sophisticated path loss model incorporating both line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) transmissions to study their performance impact in small cell networks (SCNs). Analytical results are obtained on the coverage probability and the area spectral efficiency (ASE) for two user association strategies (UASs) assuming both a general path loss model and two special cases of path loss models recommended by the 3GPP standards. The performance impact of LoS and NLoS transmissions in SCNs in terms of the coverage probability and the ASE is shown to be significant both quantitatively and qualitatively, compared with previous work that does not differentiate LoS and NLoS transmissions. Particularly, our analysis demonstrates when the density of small cells is larger than a threshold, the network coverage probability will decrease as small cells become denser, which in turn makes the ASE suffer from a slow growth or even a notable decrease. For practical regime of small cell density, the performance results derived from our analysis are distinctively different from previous results, and show that small cell density matters. Therefore, our results shed new insights on the design and deployment of future SCNs.

研究动机与目标

• 研究视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）传输在小型蜂窝网络（SCNs）中的性能影响，而此前的研究往往忽略了这一点。
• 在两种用户关联策略（UASs）下，分析使用通用路径损耗模型及两个3GPP推荐路径损耗模型时的覆盖概率与面积谱效率（ASE）。
• 揭示LoS/NLoS区分如何改变性能趋势，特别是关于小型蜂窝密度扩展的影响。
• 提供关于网络超密化与LoS/NLoS传播效应导致性能退化之间权衡的分析洞见。

提出的方法

• 开发一种路径损耗模型，明确结合LoS与NLoS传输条件，采用3GPP推荐的路径损耗模型。
• 应用随机几何与点过程理论，推导在两种用户关联策略下的覆盖概率与ASE的闭式表达式。
• 考虑通用路径损耗模型及两个特例（如3GPP模型），以确保实际适用性。
• 分析小型蜂窝密度对网络性能的影响，尤其关注从LoS主导向NLoS主导转变的临界点。
• 使用可处理的数学表达式，评估在不同LoS与NLoS概率下覆盖与谱效率的变化。
• 与以往假设LoS与NLoS无区别的研究进行对比，突出此区分的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小型蜂窝网络中，引入LoS与NLoS传输条件如何影响覆盖概率与ASE？
• RQ2 当显式建模LoS与NLoS传播时，小型蜂窝密度对网络性能有何影响？
• RQ3 不同的用户关联策略如何影响LoS/NLoS场景下的性能权衡？
• RQ4 在何种小型蜂窝密度下，尽管进行了网络超密化，覆盖概率仍开始下降？原因是什么？
• RQ5 本模型的分析结果与以往忽略LoS/NLoS区别的研究相比有何不同？

主要发现

• 与不区分LoS与NLoS的先前模型相比，LoS与NLoS传输对覆盖概率与面积谱效率（ASE）的影响在数量和定性上均具有显著意义。
• 当小型蜂窝密度超过某一阈值时，由于NLoS链路增加和干扰加剧，覆盖概率反而下降，这与“网络超密化带来性能单调提升”的普遍假设相悖。
• 在高密度小型蜂窝网络中，ASE增长缓慢甚至出现下降，表明存在性能饱和或崩溃点。
• 在实际的小型蜂窝密度范围内，本研究提出的LoS/NLoS感知模型所得结果与以往假设传播条件均匀的研究结果存在显著差异。
• 本研究证明，小型蜂窝部署密度是关键的设计参数，忽略LoS/NLoS效应将导致性能预测失真。