Deployment Algorithm for Femtocells in Multi-tiered Wireless Cellular Network

Abstract

차세대 무선 셀룰러 네트워크는 매크로셀과 하위계층의 펨토셀들로 이루어진 다층셀 네트워크 구조를 가진다. 펨토셀들은 낮은 전력과 작은 커버리지를 가지는 기지국들로서, 그 커버리지 내에 있는 사용자에게 무선 서비스를 제공한다. 펨토기지국과 사용자간의 짧은 거리는 강인한 링크 품질을 의미하며, 이로 인해 네트워크는 전송률을 유지할 수 있게 된다. 펨토셀들은 거주지역의 DSL, 광대역 케이블, 광케이블 등을 통해 표준 이동단말들을 이동통신 사업자의 네트워크에 연결한다. 일반적으로, 펨토셀들은 실내 커버리지를 향상시키고자 하는 사용자들에 의해 설치되겠지만, WSP (Wireless Service Provider)에 의해서도 설치될 수 있다. 더욱이, 최근의 펨토셀 기술들은 펨토셀들이 실외에도 설치 가능함을 보여준다. 펨토셀들은 전체 시스템 용량을 향상시키고, 특정 조건하에서는 네트워크의 기반시설 비용을 감소시킬 수도 있다. 펨토셀 설치의 주요 원인은 기존의 매크로 셀룰러 네트워크에서의 음영지역에 대한 커버리지를 늘리는 것이다. WSP와 소비자의 요구를 만족시키기 위해 펨토셀 배치 계획을 수행하는 자동회된 툴이 필요하다. 본 연구에서는 네트워크 용량이 제한된 환경에서의 자동화된 펨토셀 배치 알고리즘을 개발한다. 망 사업자가 배치하는 펨토셀들을 고려하며, 펨토셀들은 사업자의 예산 제한조건을 넘지않으면서 네트워크의 트래픽 수요를 충족시키기 위해 설치된다. 네트워크의 트래픽 분포는 본 연구에서 중요한 역할을 하며, 모든 후속연구의 중요한 기초가 된다. 본 연구에서는 이동성 패턴을 반영한 공간적 트래픽 분포를 적용한다. 우리는 PDA라하는 배치 알고리즘을 제안하며, 그것은 매크로셀의 기하학적 분할, 트래픽 강도의 레벨, 사용자 분포에 기반한다. 제안하는 알고리즘은 모든 분할 중 최적의 조합을 찾으며, 펨토셀의 위치를 정의된 세가지 기준에 의해 결정한다. PDA효과를 추정하기 위해 두 개의 간단한 비교 알고리즘 SDA1, SDA2를 제안한다. 또한, WSP를 위한 경제적 관점의 평가를 위해 비용을 분석한다. 마지막으로, 설치된 펨토셀의 개수, 수용되는 사용자 수, WSP의 이득과 관련하여 세 가지 배치 알고리즘을 살펴본다. 모의실험을 통해 제안하는 배치 알고리즘 PDA가 다른 두 알고리즘보다 우수하며 WSP들에게 보다 적합함을 보인다.

The next-generation wireless cellular network is a multi-tiered network which consists of high-tiered layer of macrocells and low-tiered layer of femtocells. Femtocells are low-powered, small size cellular base stations, that provide wireless service to a cellular user within its range. The short distance between a user and a femto base station allows the network to sustain very high data rate as the link remains robust. Femtocells connect standard mobile devices to a mobile operators network using residential DSL, cable broadband connections or optical fibers. Traditionally, femtocells are deployed by end-users to improve indoor coverage, but femtocells can be also deployed by WSPs. Moreover, recent development of femtocell technology introduces the possibility of outdoor installation. Femtocells can increase the overall system capacity and decrease the infrastructure cost of the network under certain conditions. The main reason of the femto-deployment is to extend coverage to the areas that are poorly served by the existing macro-cellular network. To satisfy the interests of WSP and customers an automated tool that carefully plans the deployment of femtocells is needed. We address our work to the development an algorithm that automatically places femtocells in capacity-limited scenario. We consider operator-deployed femtocells that are installed to satisfy the current traffic demand of the network and not to exceed the budget constraint for WSP. Traffic distribution of the network plays a crucial role in our investigation as it sets a foundation for all further work. For our investigation we apply the model of spatial traffic distribution with mobility pattern. We propose a deployment algorithm PDA, which is based on geometrical segmentation of macrocell, heuristic level devision of traffic intensity and user distribution. Our algorithm searches for the best combination among all segmentations, that we call subregions, and places a femtocell according to three defined criteria. To estimate the PDA effectiveness we propose two simple comparative algorithms: SDA1 and SDA2. Also, we carry out a cost analysis to evaluate the economical perspectives for WSP. Finally, three deployment algorithms with respect to number of installed femtocells, number of supported users and profits for WSP are investigated. Through simulations we show that the proposed deployment algorithm PDA surpasses among two other simple algorithms and will be likely suitable for WSPs.