[論文レビュー] Stochastic Geometry Analysis of Uplink Cellular Networks with FSO Backhauling: Cooperative Relaying Vs. Reflecting Surfaces

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 62被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、自由空間光（FSO）バックホールを備えた上行リンクセルラー網の確率的幾何学的性能解析を提示し、変復調・再送(relaying)と知能反射面（IRS）を比較する。干渉を抑える最適なIRS位相シフト設計を提案し、わずかな反射素子数でもIRSが高SNR領域においてスペクトル効率と分岐利得を向上させ、DFリレーリングを上回ることを示している。

ABSTRACT

In this work, we consider the performance analysis of the uplink cellular networks with free space optics (FSO) backhauling. The user equipment (UE) communicates with the nearest Base Station (BS) in first slot while in second slot, the BS converts the received radio frequency (RF) signal into FSO pulse and transmits to the data center. We adopt the Rayleigh fading for the uplink channels while the FSO backhaul encompasses the turbulence-induced fading which follows the Málaga distribution, the weather pathloss, and the pointing errors fading which is distributed following the generalized Beckmann model. Further, we will compare the performances when the BS behaves as either a decode-and-forward (DF) relay or an intelligent reflecting surface (IRS). Next, we will propose an optimal design of the phase shifters of the IRS to minimize the interference and improve the rate to beat relaying. Capitalizing on this framework, we will derive the system performance metrics such as the coverage probability as well as the spectral efficiency. Focusing on high SNR, we will obtain the diversity gain to get engineering insights into the system performance and limitations. Finally, the analytical results are confirmed by Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 現実的なチャネル条件の下で、FSOバックホールを備えた上行リンクセルラー網の性能を分析すること。
• 増大するデータ需要と展開制約に対応できない従来のRFおよび光ファイバー回線バックホールの限界を扱うこと。
• FSOバックホールを備えた上行リンクに向けた2つの新規ソリューション—DFリレーリングと知能反射面（IRS）—を比較すること。
• 干渉を最小限に抑え、信号利得を最大化するための最適IRS位相シフト設計を開発すること。
• 高SNR条件下におけるカバレッジ確率、スペクトル効率、分岐利得の解析的表現を提供すること。

提案手法

• レイノールドフェイディングを用いた上行リンクチャネルモデルと、乱流にはMálaga分布、指向誤差にはBeckmannフェイディングを用いたFSOバックホールモデルを採用する。
• ポisson点過程（PPP）を用いて基地局（BS）の配置をモデル化し、干渉のラプラス変換を導出する確率的幾何学的手法を適用する。
• PPPのPGFLとモーメント生成関数を用いて、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）の統計を導出する。
• 干渉方向をゼロにし、直進路（LOS）信号パワーを最大化する最適IRS位相シフト設計を提案する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、カバレッジ確率、効用レート、分岐利得の解析結果を検証する。
• 高SNR挙動を分析し、分岐利得を導出し、システムの限界と性能トレードオフに関する実用的知見を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流、指向誤差、パスロスを組み合わせた現実的なチャネルモデル下で、FSOバックホールを備えた上行リンクセルラー網の性能はどのように変化するか？
• RQ2 知能反射面（IRS）は、FSOバックホールを備えた上行リンク網において、スペクトル効率およびカバレッジ確率の面で、変復調・再送（DF）リレーリングを上回ることができるか？
• RQ3 複数の干渉源が存在する状況下で、干渉を最小限に抑え、受信信号パワーを最大化する最適IRS位相シフト設計は何か？
• RQ4 高SNR下でのシステムの分岐利得は何か？ また、IRSとDFリレーリングの間でどのように異なるか？
• RQ5 コストとサイズ効率を維持しつつ、IRSがDFリレーリングを上回るには、どの程度の反射素子数が必要か？

主な発見

• 位相シフトが最適に設計されていれば、反射素子数が少なくても（例：N=5 または N=10）、IRSはスペクトル効率においてDFリレーリングを上回る。
• 最適IRS設計は、多重度の増加ではなく、SNRゲイン（パワーオフセット）を達成するため、自由度を増加させない形で性能を向上させる。
• IRSは干渉方向にnullを配置し、目的リンクにエネルギーを集約することで、DFリレーリングよりも高いカバレッジ確率と効用レートを達成できる。
• 分岐利得の分析により、高SNR下でIRSとDFリレーリングの両方が完全な分岐順序を達成することが確認されたが、IRSは優れた干渉管理により、より高いSNRオフセットを達成した。
• モンテカルロシミュレーションにより、カバレッジ確率、スペクトル効率、SINR統計の解析的表現が、さまざまなシステムパラメータで妥当であることが検証された。
• システム性能は指向誤差の深刻さと乱流状態に強く依存しており、MálagaおよびBeckmannモデルは、弱いから強いフェイディング領域まで正確に特徴づけることができる。