Small Cell Network (SCN) is an inevitable response of the upcoming fifth generation (5G) mobile communication to explosively increasing demand for data traffic. By deploying small cells at high density in existing macro cellular networks, operators can serve users more closely, which improves spectral efficiency and capacity. However, inter-cell interference due to the full frequency reuse still limits the attainable performance of the network. As a solution to the challenge for inter-cell interference in SCNs, user-centric Inter-cell Interference Coordination (ICIC) has been drawing attention.
On the other hand, in recent years more and more cellular network analyses have been based on stochastic geometry, especially homogeneous poisson point process (HPPP). This is because, unlike grid models and network-level simulations, HPPP captures well the characteristics of practical cellular networks such as irregular network topologies and gives mathematically tractable results. Modeling user locations and cellular networks based on HPPP is especially suited to evaluate the performance of user-centric ICIC since the model well reflects dynamic user locations and channel variations in cellular networks.
In this context, several user-centric ICIC schemes have been proposed and analyzed based on HPPP, but there are some limitations. We focus on two limitations in the previous works. First, most of the previous works analyze their ICIC scheme applied to a typical user, not an edge user while the main purpose of ICIC is to improve the performance of an edge user. Second, most of the previous works do not consider intra cell resource allocation procedure in their ICIC scheme although the procedure plays an important role in user-centric ICIC. In this dissertation, we propose user-centric ICIC schemes to overcome these two limitations and develop a stochastic geometry model for performance analysis of our proposed ICIC schemes.
In Chapter 3, we propose a distance-based ICIC scheme for SCNs. To accurately detect users experiencing severe performance degradation caused by inter-cell interference, we newly define an edge user in SCNs and then analyze the spatial distribution of edge users. Next, we apply our distance-based ICIC scheme only to the edge users, where base stations within a certain radius, called the cooperation radius, from each edge user cooperate to improve the performance of edge users. With the help of the stochastic geometry we obtain a semi-closed expression for the coverage probability of an edge user with the ICIC scheme. Based on our analysis we investigate two trade-offs on the resource efficiency of a network and the coverage probability of an interior user. We then determine the optimal cooperation radius that maximally improves the coverage probability of an edge user considering the two trade-offs. Our analytical results are validated through simulations.
In Chapter 4, we propose an enhanced distance-based ICIC scheme for SCNs. To accurately detect edge users, we define an edge user in SCNs based on the average throughput degradation and then analyze the spatial distribution of edge users. Next, we apply our enhanced distance-based ICIC scheme to the edge users, where base stations give edge users higher weight than interior users so that frequency channels are allocated more frequently to edge users and base stations within a certain radius from each edge user cooperate to improve the average throughput of edge users. With the help of the stochastic geometry we obtain a semi-closed expression for the average throughput of an edge user with the ICIC scheme. Based on our analysis we investigate two trade-offs on the resource efficiency of a network and the average throughput of an interior user. We then evaluate the optimal average throughput of an edge user with the ICIC scheme considering the two trade-offs. Our analytical results are validated through simulations.
소형 셀 네트워크(SCN)는 다가오는 5세대(5G) 이동 통신의 폭발적인 데이터 트래픽 증가에 대비하기 위해 새롭게 등장한 셀룰라 네트워크 형태이다. 소형 셀 네트워크에서는 기존의 매크로 셀룰러 네트워 크에 소형 셀을 고밀도로 배치함으로서 스펙트럼 효율과 용량을 향상시키지만 주파수 재사용으로 인한 셀간 간섭은 여전히 네트워크가 달성 할 수 있는 성능을 제한한다. 이에 대한 해결책으로 사용자 중심 셀간 간섭 조정(사용자 중심 ICIC)이 주목 받고 있다.
다른 한편, 최근 많은 수의 셀룰러 네트워크 분석이 확률기하학, 특히 호모지니어스 포아송 포인트 프로세스(HPPP)에 기반을 두고 이루어지고 있다. 이는 그리드 모델 및 네트워크 수준 시뮬레이션과 달리 HPPP가 불규칙한 네트워크 토폴로지와 같은 실제 셀룰러 네트워크의 특징을 잘 포착하고 셀룰러 네트워 크 성능에 대한 수학적 분석을 가능하게 하기 때문이다. HPPP에 기반한 사용자 위치 및 셀룰러 네트워크 모델은 셀룰러 네트워크의 동적 사용자 위치 및 채널 변화를 잘 반영하기 때문에 특히 사용자 중심 ICIC 의 성능을 평가하는데 적합하다.
위와 같은 배경에서 다양한 사용자 중심 ICIC 기법이 제안되었고 HPPP를 기반으로 분석되어 왔지만 이들은 몇 가지 한계를 안고 있다. 특히 우리는 두 가지 한계점에 초점을 맞추고 이를 극복하는 사용자 중 심 ICIC 기법을 제안하며 제안된 ICIC 기법의 성능 분석을 위한 확률기하학 모델을 개발한다. 첫째, ICIC 의 주요 목적이 성능이 저하된 엣지 사용자의 성능을 향상시키는 것이지만 이전 연구의 대부분은 엣지 사 용자가 아니라 일반 사용자에게 자신들의 ICIC 기법을 적용하고 이 일반 사용자를 중심으로 ICIC 기법의 성능을 분석한다. 이에 우리는 엣지 사용자의 성능을 향상시키는 거리 기반 ICIC 기법을 제안하고 엣지 사용자를 중심으로 ICIC 기법의 성능을 분석하는 확률기하학 모델을 개발한다. 둘째, 자원 할당 절차가 사용자 중심 ICIC에서 중요한 역할을 함에도 불구하고 이전 연구 대부분은 자신들의 ICIC 기법에서 셀내 자원 할당 절차를 깊게 고려하지 않았다. 이에 우리는 에지 사용자에 대한 가중 자원 할당을 사용하여 거리 기반 ICIC 기법을 향상시킨 향상된 거리기반 ICIC 기법을 제안하고 가중 자원 할당 효과를 반영하는 확률기하학 모델을 개발한다.
