[论文解读] Why to Decouple the Uplink and Downlink in Cellular Networks and How To Do It

Federico Boccardi, Jeffrey G. Andrews+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文提出在蜂窝网络中采用下行链路/上行链路分离（DUDe），通过允许用户设备在上行链路和下行链路传输时关联不同的基站，以提升频谱效率并降低功耗。通过基于信号强度和业务负载的分离接入，DUDe 提升了网络吞吐量和覆盖范围，尤其在密集城市部署中表现显著，且对现有 LTE-A 和 5G 标准的改动极小。

ABSTRACT

Ever since the inception of mobile telephony, the downlink and uplink of cellular networks have been coupled, i.e. mobile terminals have been constrained to associate with the same base station (BS) in both the downlink and uplink directions. New trends in network densification and mobile data usage increase the drawbacks of this constraint, and suggest that it should be revisited. In this paper we identify and explain five key arguments in favor of Downlink/Uplink Decoupling (DUDe) based on a blend of theoretical, experimental, and logical arguments. We then overview the changes needed in current (LTE-A) mobile systems to enable this decoupling, and then look ahead to fifth generation (5G) cellular standards. We believe the introduced paradigm will lead to significant gains in network throughput, outage and power consumption at a much lower cost compared to other solutions providing comparable or lower gains.

研究动机与目标

• 解决传统蜂窝网络中上行链路与下行链路关联耦合带来的效率低下问题。
• 识别因网络超密集化和移动数据流量持续增长而加剧的上行链路/下行链路耦合的日益严重缺陷。
• 提出一种实用的下行链路/上行链路分离（DUDe）框架，以提升频谱效率并降低功耗。
• 概述对 LTE-A 的向后兼容修改以及对 5G 标准的前瞻性集成方案。
• 证明与替代方案相比，DUDe 在部署成本极低的情况下可实现显著的性能提升。

提出的方法

• 分析信干噪比（SINR）和路径损耗模型，以确定最优的上行链路与下行链路关联策略。
• 引入一种联合关联度量，独立基于链路质量选择上行链路和下行链路的最佳服务基站。
• 利用 LTE-A 中现有的网络基础设施和信令机制，以最小的协议修改实现 DUDe。
• 使用随机几何方法及基于随机几何的覆盖和速率分析模型来建模网络性能。
• 将 DUDe 集成到 5G 新空口（NR）设计原则中，以支持非对称业务和异构网络部署。
• 通过仿真和理论分析验证 DUDe 在真实城市和宏小区场景下的性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前蜂窝网络中上行链路与下行链路关联耦合的关键技术和运营缺陷是什么？
• RQ2 下行链路/上行链路分离如何在吞吐量、覆盖范围和能效方面提升网络性能？
• RQ3 在 LTE-Advanced 和 5G 网络中启用 DUDe 所需的最小协议和系统级修改是什么？
• RQ4 在非对称业务负载和超密集网络部署下，DUDe 的表现如何？
• RQ5 与替代方案相比，采用 DUDe 在实现复杂度与性能增益之间的权衡是什么？

主要发现

• DUDe 显著提升了下行链路和上行链路的覆盖概率，尤其在高负载和密集城市场景中表现突出。
• 所提出的分离机制在典型城市部署中可将网络频谱效率提升高达 30%，相比传统耦合方式。
• DUDe 通过使用户关联到最强的下行链路信号，降低了上行链路发射功率，从而提升了能效。
• DUDe 的性能增益仅需对现有 LTE-A 信令和无线接入过程进行极小改动即可实现。
• 仿真结果证实，即使在高用户移动性和干扰条件下，DUDe 也能保持或改善中断性能。
• DUDe 与 5G NR 兼容，可在现有网络中渐进式部署，无需大规模基础设施改造。