[论文解读] Uplink Interference Analysis for Two-tier Cellular Networks with Diverse Users under Random Spatial Patterns

Wei Bao, Ben Liang|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于超位置-聚合-超位置（SAS）方法的随机几何模型，以精确分析具有不同用户和基站的两层蜂窝网络中的上行链路干扰。该模型推导出干扰的精确拉普拉斯变换，从而实现精确的中断概率计算，并表明在中断约束下的强度规划问题可转化为凸优化问题，数值结果验证了该方法的有效性。

ABSTRACT

Multi-tier architecture improves the spatial reuse of radio spectrum in cellular networks, but it introduces complicated heterogeneity in the spatial distribution of transmitters, which brings new challenges in interference analysis. In this work, we present a stochastic geometric model to evaluate the uplink interference in a two-tier network considering multi-type users and base stations. Each type of tier-1 users and tier-2 base stations are modeled as independent homogeneous Poisson point processes, and tier-2 users are modeled as locally non-homogeneous clustered Poisson point processes centered at tier-2 base stations. By applying a superposition-aggregation-superposition approach, we quantify the interference at both tiers. Our model is also able to capture the impact of two types of exclusion regions, where either tier-2 base stations or tier-2 users are restricted in order to avoid cross-tier interference. As an important application of this analytical model, an intensity planning scenario is investigated, in which we aim to maximize the total income of the network operator with respect to the intensities of tier-2 cells, under constraints on the outage probabilities of tier-1 and tier-2 users. The result of our interference analysis suggests that this maximization can be converted to a standard convex optimization problem. Finally, numerical studies further demonstrate the correctness of our analysis.

研究动机与目标

• 解决两层蜂窝网络中上行链路干扰的问题，这些网络中第一层用户、第二层基站和第二层用户的空间分布具有异质性。
• 使用非齐次泊松点过程（PPP）对第二层用户围绕第二层基站的空间随机性和聚类性进行建模。
• 分析两种类型的排除区域——基站排除区域和用户设备排除区域——对跨层干扰和中断性能的影响。
• 制定并求解一个强度规划问题，以在满足两层用户个体中断概率约束的前提下，最大化网络运营商的收入。
• 证明干扰分析可转化为凸优化问题，从而实现高效且最优的系统设计。

提出的方法

• 将第一层用户和第二层基站建模为独立的齐次泊松点过程（PPP），将第二层用户建模为以第二层基站为中心的局部非齐次聚类PPP。
• 提出一种超位置-聚合-超位置（SAS）方法，将每小区所有第二层用户的干扰精确聚合为单一等效干扰源，避免近似处理。
• 利用PPP的拉普拉斯函数和聚合干扰的生成函数，推导出两层网络中总上行链路干扰的精确拉普拉斯变换。
• 引入两种类型的排除区域：一种限制第二层基站（BS排除），另一种限制第二层用户（UE排除），以建模跨层干扰的抑制效果。
• 通过将中断概率约束转换为线性强度权衡，将强度规划问题表述为凸优化问题。
• 通过在不同空间相关性水平和排除区域参数下进行大量蒙特卡洛仿真，验证了分析模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在具有不同类型用户和空间相关第二层用户的两层蜂窝网络中，对上行链路干扰进行精确建模？
• RQ2 BS排除区域和UE排除区域对第一层和第二层用户中断性能的影响是什么？
• RQ3 第一层用户或第二层基站位置的空间相关性如何影响强度规划问题的性能？
• RQ4 上行链路干扰分析能否转化为凸优化问题，以实现高效系统设计？
• RQ5 在真实的空间分布模式和排除约束条件下，分析结果与仿真结果的吻合程度如何？

主要发现

• 所提出的SAS方法可在无需近似的情况下实现上行链路干扰的精确解析计算，显著优于以往方法的精度。
• 当排除半径相同时，UE排除区域在降低第一层用户中断概率方面比BS排除区域更有效。
• 第一层用户或第二层基站之间的空间相关性会增加中断概率，且在强相关性水平下（例如，α ≤ 10^1.5）该影响变得明显。
• 在相关位置下，强度规划问题的最优效用在弱相关性条件下（α ≥ 10^2）与无相关性情况的性能差距极小（η(α) < 0.05），表明系统具有鲁棒性。
• 在中断约束下，强度规划问题被重新表述为凸优化问题，从而能够高效且最优地求解网络收入最大化目标。
• 数值结果证实了分析模型的准确性，理论预测与仿真结果在各种空间配置和排除场景下高度一致。