셀룰러 네트워크 커버리지와 속도 분석을 위한 실용적 확률 모델

초록

본 논문은 기존 격자 기반 모델의 비현실성과 복잡성을 극복하고자, 베이스 스테이션을 포아송 점과 같은 확률적 배치로 가정한 새로운 스토캐스틱 기하학 모델을 제시한다. 일반적인 가정 하에 다운링크 SINR의 누적분포함수(CCDF)를 빠르게 계산 가능한 적분 형태로 유도하고, 특수 경우에는 Q‑함수 등으로 단순화한다. 또한 평균 전송률을 도출하고, 정적 주파수 재사용에 따른 커버리지 향상 및 평균 속도 손실을 분석한다. 실측 베이스 스테이션 배치와 격자 모델과 비교했을 때, 제안 모델은 보수적인(하한) 예측을 제공하지만 정확도는 격자 모델과 동등함을 확인한다.

상세 요약

이 연구는 셀룰러 네트워크 성능 평가에 있어 가장 근본적인 문제인 베이스 스테이션(또는 셀) 배치 모델링을 재고한다. 전통적으로는 정규 격자(예: 정육각형) 위에 BS를 배치하고, 사용자 단말은 균등하거나 무작위로 배치하는 방식을 사용했으며, 이러한 모델은 해석이 용이하지만 실제 네트워크의 비정형적, 고밀도 배치를 반영하지 못한다. 저자들은 스토캐스틱 기하학, 특히 2차원 평면에 포아송 점 과정(PPP)을 적용함으로써 BS 배치를 완전한 확률 과정으로 모델링한다. 이 접근법은 다음과 같은 핵심 가정을 전제로 한다. 첫째, BS는 독립적으로 동일한 밀도 λ로 포아송 분포한다. 둘째, 모든 BS는 동일한 전송 전력과 안테나 패턴을 가진다(동질성 가정). 셋째, 사용자 단말은 임의의 위치에 존재하며, 가장 가까운 BS와 연결된다고 가정한다(최대 평균 수신 전력 연결 규칙). 이러한 가정 하에, 다운링크 SINR은 원하는 신호와 전체 간섭(다른 모든 BS에서 발생) 및 잡음의 비율로 정의된다.

저자들은 SINR의 CCDF, 즉 커버리지 확률 P