[論文レビュー] High Altitude Platform Station based Super Macro Base Station (HAPS-SMBS) Constellations

Sahabul Alam, Güneş Karabulut Kurt+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、準静的HAPSプラットフォームを活用して、高容量・低遅延な接続性に加え、コンピューティングおよびキャッシュ機能を備えた次世代無線アクセスソリューションとして、ハイ・アライトチュード・プラットフォーム・ステーションベースのスーパー・マクロ・ベーシック・ステーション（HAPS-SMBS）を提案する。主な貢献は、垂直異種ネットワーク（VHetNet）におけるHAPS-SMBSコンstellレーションのビジョンであり、スマートシティおよび将来の6Gシステム向けに、動的で知的かつスケーラブルな無線インfraストラクチャを実現する。

ABSTRACT

High altitude platform station (HAPS) systems have recently attracted renewed attention. While terrestrial and satellite technologies are well-established for providing connectivity services, they face certain shortcomings and challenges, which could be addressed by complementing them with HAPS systems. In this paper, we envision a HAPS as a super macro base station, which we refer to as HAPS-SMBS, to provide connectivity in a plethora of applications. Unlike a conventional HAPS, which targets broad coverage for remote areas or disaster recovery, we envision next-generation HAPS-SMBS to have the necessary capabilities to address the high capacity, low latency, and computing requirements especially for highly populated metropolitan areas. This article focuses mainly on the potential opportunities, target use cases, and challenges that we expect to be associated with the design and implementation of the HAPS-SMBS based future wireless access architecture.

研究の動機と目的

• 都市部の高密度化に伴う容量および遅延の増大要請に対応する。地上ネットワークの密度化は、限界に達しており、費用も高騰している。
• 地上ネットワーク（例：バックホールコスト、展開制約）および低地球軌道（LEO）衛星システム（例：高い移動性、ハンドオーバーのオーバーヘッド）の限界を克服する。
• HAPSをスーパーマクロベーシックステーション（HAPS-SMBS）として位置づけ、都市部およびスマートシティ用途のマルチティアのVHetNetアーキテクチャにおける中枢ノードとして機能させる。
• 動的スペクトラム共有、ビームフォーミング、機械学習（ML）ベースの制御を組み合わせた、知的かつ自己組織的でスケーラブルなHAPSコンステレーションを実現する。
• HAPS-SMBSをネットワークスライシング、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）、NFVと統合し、将来の無線アクセスネットワークにおけるネットワークの俊敏性、レジリエンス、スケーラビリティを向上させる。

提案手法

• HAPS-SMBSを、太陽電池で駆動され、高度20–50 kmに位置する準静的高高度プラットフォームとして提案し、都市部のVHetNetにおけるスーパーマクロベーシックステーションとしての役割を果たす。
• 相互接続された自己組織的HAPSノードを用いて、広域カバレッジ（例：カナダ横断高速道路）を実現するHAPS-SMBSコンステレーションの構想を提示する。
• HAPS間ネットワーキングのための集中型および分散型制御アーキテクチャを導入し、地上局のボトルネックを回避し、制御プレーンの遅延を最小限に抑える。
• ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）、ネットワークスライシング（NS）、ネットワーク機能仮想化（NFV）を活用し、動的でオンデマンドのリソース割り当ておよびネットワーク再構成を可能にする。
• 共有ミリ波帯域で動作する際の干渉管理を最適化するため、機械学習（ML）技術を活用した適応的ビームフォーミングおよび周波数再利用を適用する。
• HAPS-SMBS、地上、UAV、衛星システム間の層間干渉をモデル化し、特にITU-Rが割り当てた共有スペクトラム帯域で顕著になる干渉の影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAPS-SMBSプラットフォームは、予測不能なトラフィック需要を示す都市部において、スケーラブルで高容量なソリューションとしてどのように機能できるか？
• RQ2 相互接続されたHAPS-SMBSノードのコンステレーションを展開・管理するにあたり、主な課題は何であり、自己組織化によってどのように解決できるか？
• RQ3 HAPS-SMBSは、地上および衛星ネットワークとどのように統合され、干渉を最小限に抑えながらスペクトル効率を最大化できるか？
• RQ4 ネットワークスライシング、SDN、NFVは、HAPS-SMBSベースの無線アクセスネットワークにおいて、動的で俊敏でレジリエントな運用を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 機械学習は、共有スペクトラム帯域で動作するHAPS-SMBSコンステレーションにおける干渉管理およびリソース割り当てをどのように向上できるか？

主な発見

• HAPS-SMBSは、都市部における地上ネットワークの高密度化に代わる実用的ソリューションを提供し、インfra構築コストとバックホールの複雑さを低減しながら、広域かつ高容量のカバレッジを実現する。
• HAPS-SMBSの往復伝送遅延（0.13–0.33 ms）は、LEO衛星（3.33–13.33 ms）よりも顕著に低いため、没入型アプリケーションに不可欠な低遅延サービスを実現可能である。
• HAPS-SMBSは、ユーザーに近い場所でコンピューティングおよびキャッシュ機能を提供するプラットフォームとして機能し、エンドツーエンドの遅延を低減するとともに、地上ネットワークのトラフィックオフロードを実現する。
• 地上、UAV、衛星システムとの共存において干渉管理は極めて重要であり、特に共有ミリ波帯域では、知的ビームフォーミングおよびMLベースの適応による干渉低減が有効に機能する。
• 地上局は遅延およびカバレッジ制限のため、HAPSコンステレーションの自己組織化に不適切である。分散型または集中型制御により、重複カバレッジ、リソースの無駄、干渉を回避できる。
• SDN、NFV、ネットワークスライシングの統合により、HAPS-SMBSに対して動的でオンデマンドのネットワークスライシングが可能となり、異種環境下でのリソース利用効率およびネットワークの俊敏性が向上する。