[论文解读] Ultra-Dense Networks: Is There a Limit to Spatial Spectrum Reuse?

Ming Ding, David López Pérez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用 6

一句话总结

本文研究了在超密集网络（UDNs）中，空间谱复用（SSR）是否存在根本性限制，表明由于基站（BS）与用户设备（UE）之间存在非零的天线高度差以及用户设备密度有限，导致信号功率和干扰功率均受到限制。因此，网络容量仅在最优SSR密度范围内呈线性增长，超过该密度后进一步的网络超密集化将带来边际收益递减，意味着在实际UDNs中SSR存在理论极限。

ABSTRACT

The aggressive spatial spectrum reuse (SSR) by network densification using smaller cells has successfully driven the wireless communication industry onward in the past decades. In our future journey toward ultra-dense networks (UDNs), a fundamental question needs to be answered. Is there a limit to SSR? In other words, when we deploy thousands or millions of small cell base stations (BSs) per square kilometer, is activating all BSs on the same time/frequency resource the best strategy? In this paper, we present theoretical analyses to answer such question. In particular, we find that both the signal and interference powers become bounded in practical UDNs with a non-zero BS-to-UE antenna height difference and a finite UE density, which leads to a constant capacity scaling law. As a result, there exists an optimal SSR density that can maximize the network capacity. Hence, the limit to SSR should be considered in the operation of future UDNs.

研究动机与目标

• 确定在超密集网络（UDNs）中，尽管网络超密集化程度极高，空间谱复用（SSR）是否仍存在根本性的物理限制。
• 分析非零的基站-用户设备（UE）天线高度差以及有限用户设备（UE）密度如何影响UDNs中信号与干扰功率的标定。
• 研究在实际UDN场景中，传统假设的SINR不变性在全网络加载条件下是否依然成立。
• 推导考虑信号与干扰功率受限的容量标定律，揭示实现最大网络容量的最优SSR密度。
• 挑战长期以来认为可通过无限增加SSR来线性提升网络容量与基站密度关系的信念。

提出的方法

• 使用随机几何与泊松点过程（PPP）模型，表征超密集网络（UDNs）中基站（BSs）与用户设备（UEs）的空间分布。
• 基于3GPP建议，采用分段式路径损耗模型，综合考虑视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）传播条件。
• 应用坎贝尔定理（Campbell’s theorem）推导聚合干扰功率的拉普拉斯变换，同时考虑LoS与NLoS链路。
• 引入有限用户设备密度模型，其中仅服务活跃用户设备的基站保持激活状态，从而导致部分网络加载并使干扰功率受限。
• 分析当基站密度 λ → ∞ 时，覆盖概率与面积谱效率（ASE）的极限行为，表明其收敛至有限值。
• 在干扰受限条件下，推导覆盖概率与ASE的渐近表达式，揭示其在高密度下与基站密度无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超密集网络（UDNs）中，随着基站超密集化，典型用户设备（UE）的信号功率是否会持续无限增加？
• RQ2 在具有有限用户设备密度的实际UDN中，随着基站密度增加，聚合干扰功率是否会无限制增长？
• RQ3 当每平方公里部署数千甚至数百万个基站时，空间谱复用（SSR）是否存在根本性限制？
• RQ4 非零的基站-用户设备天线高度差与有限用户设备密度如何影响UDNs中SINR与网络容量的标定？
• RQ5 在实际传播与加载条件下，传统SINR不变性假设是否仍成立，还是会在现实中失效？

主要发现

• 由于基站与用户设备之间存在非零最小距离（L），典型用户设备（UE）的信号功率受到限制，无法因超密集化而无限增长。
• 由于用户设备密度有限，仅有限数量的基站处于激活状态，导致聚合干扰功率受限，无法无限增长。
• 当基站密度 λ → ∞ 时，覆盖概率收敛至与 λ 无关的常数值，表明SINR不再保持不变。
• 面积谱效率（ASE）在 λ → ∞ 时也收敛至有限极限，表明网络容量在某一临界点后不再随基站密度线性增长。
• 存在一个最优的空间复用密度，可使网络容量最大化，意味着在超密集场景中，对所有基站使用同一频谱并非始终最优。
• SSR的理论极限源于物理约束（最小距离L）与实际网络加载（有限UE密度）的相互作用，二者共同限制了信号与干扰功率。