[論文レビュー] FSO-based Vertical Backhaul/Fronthaul Framework for 5G+ Wireless Networks

Mohamed Alzenad, Muhammad Zeeshan Shakir+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、ドローンや高高度プラットフォームを含むネットワーク化された飛行プラットフォーム（NFP）を用いて、小セルを自由空間光リンクを通じてコアネットワークに接続する、新規なF一个基盤の垂直バックハウル/フロントハウルフレームワークを提案する。シミュレーションでは、好condsな天候下で複数ギガビット/秒のデータレートを達成しており、大規模で高容量な超密度5G+ネットワークの解決策として、大気による減衰やシステムコストの課題にもかかわらず、スケーラブルであることが示された。

ABSTRACT

The presence of a super high rate, but also cost-efficient, easy-to-deploy, and scalable, backhaul/fronthaul framework is essential in the upcoming fifth-generation (5G) wireless networks \\& beyond. Motivated by the mounting interest in the unmanned flying platforms of various types including unmanned aerial vehicles (UAVs), drones, balloons, and high-altitude/medium-altitude/low-altitude platforms (HAPs/MAPs/LAPs), which we refer to as the networked flying platforms (NFPs), for providing communications services and the recent advances in free-space optics (FSO), this article investigates the feasibility of a novel vertical backhaul/fronthaul framework where the NFPs transport the backhaul/fronthaul traffic between the access and core networks via point-to-point FSO links. The performance of the proposed innovative approach is investigated under different weather conditions and a broad range of system parameters. Simulation results demonstrate that the FSO-based vertical backhaul/fronthaul framework can offer data rates higher than the baseline alternatives, and thus can be considered as a promising solution to the emerging backhaul/fronthaul requirements of the 5G+ wireless networks, particularly in the presence of ultra-dense heterogeneous small cells. The paper also presents the challenges that accompany such a novel framework and provides some key ideas towards overcoming these challenges.

研究の動機と目的

• 5G+無線システムにおける超密度ヘテロジニアス小セルネットワークの高い導入コストとバックハウルコストを低減すること。
• ネットワーク化された飛行プラットフォーム（NFP）を移動型バックハウル/フロントハウルノードとして活用し、小セルをコアネットワークに接続する可能性を検討すること。
• NFPと地上小セル間の高レート、視線ライン通信に適した自由空間光（FSO）の性能を評価すること。
• NFPベースのバックハウル/フロントハウルシステムに伴う主な技術的・運用的課題（天候によるリンクフェイド、ペイロード制限、セキュリティなど）を特定すること。
• FSOおよびNFP技術の経済的実現可能性と、将来的なコスト低減の可能性を、5G+バックハウルソリューションとして評価すること。

提案手法

• フレームワークは、NFPと小セル基地局（SBS）の間でポイントツーポイントの自由空間光（FSO）リンクを採用し、高レートでライセンスフリーの通信を実現する。
• ドローン、バルーン、および高・中・低高度プラットフォームを含むNFPは、垂直バックハウル/フロントハウルリンクを確立するための移動型リレーノードとして機能する。
• Fogや雲を含むさまざまな大気条件下でのパスロス、送信電力、受信感度をモデル化するため、リンク予算解析を実施する。
• NFPのペイロード容量およびバックハウルリンク容量の制約をシステムモデルに組み込み、各NFPが処理できる小セル数に制限を設ける。
• システムレベルのシミュレーションにより、さまざまな天候条件およびリンクパrameter下での実現可能なデータレートを算出する。
• データレート、導入コスト、スケーラビリティの観点から、従来の地上バックハウルソリューションと比較して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NFPを用いたF一个基盤の垂直バックハウル/フロントハウルは、超密度5G+小セル展開に十分なデータレートを達成できるか？
• RQ2 霧や雲などの大気条件が、提案フレームワークにおけるFSOリンクの信頼性およびデータレートにどのように影響を与えるか？
• RQ3 FSOリンクのビーム発散角が、リンク性能および実現可能なデータレートに与える影響は何か？
• RQ4 NFPのペイロードおよびバックハウル容量制限が、1プラットフォームあたりの小セル数に与える制限は何か？
• RQ5 実運用に向けた主な技術的・規制的課題（セキュリティ、プライバシー、空域交通規制など）は何か？

主な発見

• F一个基盤の垂直バックハウル/フロントハウルフレームワークは、晴天時およびやや大気影響のある条件下で複数ギガビット/秒のデータレートを達成しており、高容量な可能性を示している。
• 濃霧下ではパスロスが著しく増加し、深フェイドが発生してデータレートが低下するため、天候が性能の主要な制限要因となる。
• FSOビームの発散角を小さくすることでリンク性能が向上し、悪天候下でも1ギガビット/秒を超えるデータレートを実現できる。
• 地上ソリューションと比較して総所有コスト（TCO）は高いが、技術の成熟と規模の経済効果により、コスト低下がより速やかに進むと予想される。
• 視線が遮断される超密度都市部の展開において、本システムは従来のバックハウルに代わる有効な代替手段である。
• NFPの乗っ取りや不正なデータ収集の可能性を含むセキュリティおよびプライバシーリスクは、運用上の主要な懸念事項であり、強固な制御および規制メカニズムの整備が不可欠である。