[論文レビュー] UxNB-Enabled Cell-Free Massive MIMO with HAPS-Assisted Sub-THz Backhauling

Omid Abbasi, Halim Yanıkömeroğlu|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Telecommunications and Broadcasting Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、干渉を低減し、高容量バックホールを支援するため、UxNB対応のセルフリー massive MIMOシステムにHAPS支援のsub-THzバックホールを組み合わせたものについて提案する。HAPSを中央処理装置として活用し、高帯域幅の視線（LoS）バックホールリンクにsub-THz帯域を用いることで、地上および空中のセルラーベースラインと比較して、スペクトル効率とユーザの公平性が優れている。

ABSTRACT

In this paper, we propose a cell-free scheme for unmanned aerial vehicle (UAV) base stations (BSs) to manage the severe intercell interference between terrestrial users and UAV-BSs of neighboring cells. Since the cell-free scheme requires enormous bandwidth for backhauling, we propose to use the sub-terahertz (sub-THz) band for the backhaul links between UAV-BSs and central processing unit (CPU). Also, because the sub-THz band requires a reliable line-of-sight link, we propose to use a high altitude platform station (HAPS) as a CPU. At the first time-slot of the proposed scheme, users send their messages to UAVs at the sub-6 GHz band. The UAVs then apply match-filtering and power allocation. At the second time-slot, at each UAV, orthogonal resource blocks are allocated for each user at the sub-THz band, and the signals are sent to the HAPS after analog beamforming. In the HAPS receiver, after analog beamforming, the message of each user is decoded. We formulate an optimization problem that maximizes the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio of users by finding the optimum allocated power as well as the optimum locations of UAVs. Simulation results demonstrate the superiority of the proposed scheme compared with aerial cellular and terrestrial cell-free baseline schemes.

研究の動機と目的

• 無人航空機（UAV）ベースのセルラーネットワークにおける深刻な同頻帯干渉を、セルフリー massive MIMOアーキテクチャを用いて解消すること。
• 光ファイバーインfrastrucureのない無人航空基地局（UxNB）の高容量バックホール課題を解決すること。
• 視線（LoS）リンクを用いて、sub-terahertz（sub-THz）周波数帯を活用し、信頼性の高い高帯域幅バックホールを実現すること。
• 送信電力割り当てとUAV配置位置の共同最適化により、ユーザの公平性とスペクトル効率を最適化すること。
• SINRおよびデータレート性能の観点から、地上のセルフリーおよび空中のセルラーベースラインと比較して、提案手法の優位性を示すこと。

提案手法

• 2タイムスロット伝送方式を採用：最初のスロットでは、ユーザーがsub-6 GHz帯でUAV-BSに上行リンク送信。2番目のスロットでは、UAVがsub-THz帯でHAPSに信号をビームフォーミング。
• バックホール伝送前に、ユーザー信号の事前処理として、マッチフィルタリングと電力割り当てをUAVで実施。
• UAVおよびHAPSでアナログビームフォーミングを適用し、方向性ビームを形成することで、sub-THz帯域における信頼性の高いLoSリンクを確保。
• 約20 kmの高度に位置する高高度プラットフォームステーション（HAPS）を中央処理ユニット（CPU）として活用し、遮断を回避し、広範囲カバーを実現。
• 直接信号、複数の干渉タイプ（ユーザー、雑音、再放射）、HAPS受信機雑音を考慮した、信号対干渉＋ノイズ比（SINR）の式を導出。
• 送信電力割り当てとUAV配置位置の最適化により、最小ユーザSINRを最大化する共同最適化問題を定式化。この問題が準凸であることを証明し、効率的な解法が可能であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高動的かつ高移動性を示すUAVベースネットワークにおいて、セルフリー massive MIMOアーキテクチャは、効果的に同頻帯干渉を低減できるか？
• RQ2 光ファイバーが利用できない状況下でも、sub-THzバックホールリンクは、セルフリーUxNBシステムに十分な容量を提供できるか？
• RQ3 大気吸収と路損失の影響を受けるものの、HAPSを中央処理装置として用いることで、sub-THz帯域における信頼性の高い高容量バックホールが実現可能か？
• RQ4 UAV配置と電力割り当ての共同最適化は、このようなシステムにおけるユーザの公平性とスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 提案手法の実現可能なデータレート性能は、地上のセルフリーおよび空中のセルラーベースラインと比較してどの程度か？

主な発見

• 提案手法は、地上のセルフリーおよび空中のセルラーベースラインと比較して、最小ユーザSINRが顕著に向上している。
• UAV配置と電力割り当ての共同最適化により、すべてのユーザーにおける最小ユーザレートを最大化することで、公平性が向上している。
• シミュレーション結果から、HAPS支援のsub-THzバックホールは、低遅延で高データレートを実現でき、災害回復や高動的環境におけるスケーラブルな展開を可能にしている。
• 導出されたSINR式は、sub-THz帯域における直接信号、雑音、再放射効果の干渉を正確にモデル化している。
• 最適化問題が準凸であることが証明されており、凸最適化手法を用いた効率的かつ安定した解法が可能である。
• HAPSからUAVへの安定したLoSリンクのおかげで、スループット効率が向上し、遮蔽や遮断に対する耐性も高まっている。