[論文レビュー] Designing Cost- and Energy-Efficient Cell-Free Massive MIMO Network with Fiber and FSO Fronthaul Links

Pouya Agheli, Mohammad Javad Emadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2020

Advanced Photonic Communication Systems参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、光ファイバとフリー・スペース・オプティカル（FSO）フロントハブリンクを最適に組み合わせることで、コストおよびエネルギー効率の高いセルフリー大規模MIMOネットワークの設計を提案する。上行リンクの実現可能速率、スペクトル効率およびエネルギー効率の閉形式式を導出し、現実的な電力および容量制約のもとで性能を最大化するための最適なファイバ/FSOリンク数およびファイバ容量を特定する。

ABSTRACT

The emerging cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) is a promising scheme to tackle the capacity crunch in wireless networks. Designing the optimal fronthaul network in the CF-mMIMIO is of utmost importance to deploy a cost- and energy-efficient network. In this paper, we present a framework to optimally design the fronthaul network of CF-mMIMO utilizing optical fiber and free space optical (FSO) technologies. We study an uplink data transmission of the CF-mMIMO network wherein each of the distributed access points (APs) is connected to a central processing unit (CPU) through a capacity-limited fronthaul, which could be the optical fiber or FSO. Herein, we have derived achievable rates and studied the network's energy efficiency in the presence of power consumption models at the APs and fronthaul links. Although an optical fiber link has a larger capacity, it consumes less power and has a higher deployment cost than that of an FSO link. For a given total number of APs, the optimal number of optical fiber and FSO links and the optimal capacity coefficient for the optical fibers are derived to maximize the system's performance. Finally, the network's performance is investigated through numerical results to highlight the effects of different types of optical fronthaul links.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおける増大する容量の限界を解消するため、セルフリー大規模MIMO（CF-mMIMO）ネットワークにおけるフロントハブ設計を最適化すること。
• 光ファイバとフリー・スペース・オプティカル（FSO）リンクを組み合わせることで、CF-mMIMOのフロントハブにおける展開コストとエネルギー消費をバランスさせること。
• 容量制限のあるフロントハブリンクのもとで、実現可能上行リンク速度、スペクトル効率、エネルギー効率の閉形式式を導出すること。
• システム性能を最大化するための最適な光ファイバおよびFSOリンクの数、およびファイバリンクの最適容量係数を特定すること。
• 現実的な電力および容量制約のもとで、数値結果を用いて異なるフロントハブ技術がネットワーク性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 最大比合成（MRC）および使用後忘却（UatF）技術を用いて、上行リンク実現可能速度の閉形式式を導出する。
• アクセスポイント（APs）およびフロントハブリンク（光ファイバおよびFSO技術を含む）の電力消費をモデル化する。
• 各APが中央処理ユニット（CPU）に、ファイバまたはFSOリンクのいずれかで接続されるハイブリッドフロントハブアーキテクチャを導入する。
• ファイバおよびFSOリンクの両方の容量制限および電力消費を考慮したスペクトル効率およびエネルギー効率の式を構築する。
• 数学的最適化を用いて、最適なファイバおよびFSOリンクの数、および最適なファイバリンク容量係数を導出する。
• 複雑な微分を簡略化し、最適解を求めるために2次方程式を解くために、漸近近似（例：xが小さいときln(1+x) ≈ x）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CF-mMIMOネットワークにおいて、スペクトル効率およびエネルギー効率を最大化するための最適な光ファイバおよびFSOフロントハブリンクの数は何か？
• RQ2 混合ファイバ-FSOフロントハブ展開下で、光ファイバリンクの容量係数は全体のシステム性能にどのように影響するか？
• RQ3 CF-mMIMOにおけるファイバとFSOフロントハブの使用において、展開コストとエネルギー効率のトレードオフはどのように変化するか？
• RQ4 APおよびフロントハブリンクの電力消費モデルは、実現可能上行リンク速度およびシステム効率にどのように影響するか？
• RQ5 容量制約を満たしつつ、ネットワークのエネルギー効率を最大化するためのファイバおよびFSOリンクの最適構成は何か？

主な発見

• 最適な光ファイバリンク数は、チャネルおよび電力パラメータを含む2次方程式に基づく閉形式解として導出され、システムパラメータの関数として表される。
• 最適なFSOリンク数は、リンク容量およびシステム負荷を変数とする導出された2次方程式を解くことで特定され、スペクトルおよびエネルギー効率を最大にする。
• アクセスポイント数が非常に多い場合、FSOの展開コストおよび容量制約の支配的影響により、最適構成がファイバリンクをゼロ（つまり、すべてFSO）にシフトすることがある。
• 導出されたスペクトル効率式は、両方のフロントハブリンクの容量制限および電力消費を考慮しており、リンクタイプとシステム性能のトレードオフを示している。
• 数値結果により、ハイブリッドファイバ-FSOフロントハブは、単一技術の使用と比較してエネルギー効率が顕著に向上することが示された。特にユーザー密度が高い状況で顕著である。
• 漸近近似の使用により、取り扱い可能な最適化が可能となり、ネットワーク展開に実用的かつ正確な閉形式解が得られた。