[論文レビュー] Wireless Backhaul Node Placement for Small Cell Networks

Muhammad Nazmul Islam, Ashwin Sampath+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、屋上に集約ノードを戦略的に配置することで、非視線（NLOS）のsub-6 GHz、視線（LOS）のマイクロ波、ミリ波帯を活用し、コスト効率の良い小セルネットワークにおける無線バックハールを実現する共同最適化フレームワークを提案する。混合整数非線形プログラミング（MINLP）を用い、線形緩和と分枝限定法を適用することで、ノード配置、電力制御、チャネルスケジューリング、ルーティングを最適化し、マイクロ波シナリオでは0%の最適性ギャップを達成。また、sub-6 GHz展開では非実行可能なリンクを同定した。

ABSTRACT

Small cells have been proposed as a vehicle for wireless networks to keep up with surging demand. Small cells come with a significant challenge of providing backhaul to transport data to(from) a gateway node in the core network. Fiber based backhaul offers the high rates needed to meet this requirement, but is costly and time-consuming to deploy, when not readily available. Wireless backhaul is an attractive option for small cells as it provides a less expensive and easy-to-deploy alternative to fiber. However, there are multitude of bands and features (e.g. LOS/NLOS, spatial multiplexing etc.) associated with wireless backhaul that need to be used intelligently for small cells. Candidate bands include: sub-6 GHz band that is useful in non-line-of-sight (NLOS) scenarios, microwave band (6-42 GHz) that is useful in point-to-point line-of-sight (LOS) scenarios, and millimeter wave bands (e.g. 60, 70 and 80 GHz) that are recently being commercially used in LOS scenarios. In many deployment topologies, it is advantageous to use aggregator nodes, located at the roof tops of tall buildings near small cells. These nodes can provide high data rate to multiple small cells in NLOS paths, sustain the same data rate to gateway nodes using LOS paths and take advantage of all available bands. This work performs the joint cost optimal aggregator node placement, power allocation, channel scheduling and routing to optimize the wireless backhaul network. We formulate mixed integer nonlinear programs (MINLP) to capture the different interference and multiplexing patterns at sub-6 GHz and microwave band. We solve the MINLP through linear relaxation and branch-and-bound algorithm and apply our algorithm in an example wireless backhaul network of downtown Manhattan.

研究の動機と目的

• 密度の高い小セルネットワークにおけるファイバーバックハールの高コストとロジスティクス上の課題に対処する。
• sub-6 GHz、マイクロ波、mmWaveの複数帯域を活用し、異なる伝搬特性を持つことで、コスト効率が良く、高容量の無線バックハールを実現する。
• 集約ノードの配置、電力割り当て、チャネルスケジューリング、データルーティングを統合的に最適化するフレームワークを構築し、運用コストを最小化する。
• マンハッタンのダウンタウンのような都市環境において、現実の伝搬モデルと干渉制約のもとで、ネットワーク接続性とサービス品質（QoS）を確保する。
• 実際のリンクレベルパrameterを用いて、異なる帯域におけるスペクトル効率、干渉、展開コストのトレードオフを評価する。

提案手法

• 無線バックハールネットワークにおける集約ノード配置、電力割り当て、チャネルスケジューリング、ルーティングを共同最適化するため、混合整数非線形計画問題（MINLP）を定式化する。
• MINLPを解釈可能な解を得るため、線形緩和と分枝限定法を用いて混合整数線形計画問題（MILP）に変換する。
• 5.8 GHz（sub-6 GHz）、28 GHz（マイクロ波）、60 GHz（mmWave）帯でのリンクゲインを推定するために、レイトレーシングベースのパスロスモデルを用いる。実際の伝搬効果を組み込む。
• 表IIIの測定データから得た実用的なバックハール要因（アパーチャゲイン、送信電力、フェージングマージン、チャネル帯域幅）を組み込む。
• プロTOCOLベースのモデルに基づく干渉制約を設け、干渉がノイズレベル未満であれば、非隣接リンクが周波数を共有可能と仮定する。
• 干渉解析により仮定を検証。非隣接マイクロ波リンクでは、干渉がノイズフロア以下に19 dB未満に抑えられ、干渉なし領域の仮定が妥当であることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小セルバックハールネットワークにおいて、エンドツーエンドの接続性を確保しつつ、運用コストを最小化するための集約ノード配置を最適化する方法は何か？
• RQ2 都市部の小セル展開において、異なる周波数帯（sub-6 GHz、マイクロ波、mmWave）がバックハール容量、干渉、展開コストに与える影響は何か？
• RQ3 空間多重（SDMA）とチャネルスケジューリングは、sub-6 GHzシナリオにおける必要となる集約ノード数とネットワーク効率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 干渉モデル化と周波数再利用を活用することで、QoSを劣化させることなく、スペクトル効率をどの程度向上できるか？
• RQ5 現実の都市バックハールシナリオにおける大規模MINLP問題を解く際、最適性の正確さと収束時間の間の計算的トレードオフは何か？

主な発見

• マイクロ波帯（エッジノードから集約ノード間で28 GHz、集約ノードからゲートウェイ間で60 GHz）では、最適性ギャップが0%に達し、2つの選択された集約ノードで近似的に最適な解に収束した。
• sub-6 GHzシナリオ（エッジノードから集約ノード間で5.8 GHz）では、バイナリースケジューリングと配置変数の高次元性から、最適性ギャップが40%に上昇し、収束が遅いことが示された。
• sub-6 GHzシナリオでは、1つのエッジノードが、いかなる集約ノードやゲートウェイノードに対しても十分なリンクゲインを確保できず、非実行と特定された。これはNLOS環境における伝搬制限を示している。
• sub-6 GHzケースでは、5つの展開済み集約ノードを用いて、すべての実行可能なエッジノードが100 Mbpsの要件を満たした。これはコストのトレードオフを伴うスケーラビリティを示している。
• 干渉解析により、非隣接マイクロ波リンクがノイズフロア以下に19 dB未満の干渉を引き起こすことが確認され、最適化モデルにおける干渉なし周波数再利用の仮定が妥当であることが裏付けられた。
• 提案されたフレームワークにより、視線路線の高容量mmWaveおよびマイクロ波リンクと、屋上集約ノードを介したNLOSマルチポイントアクセスのsub-6 GHzを組み合わせることで、コスト効率の良い展開が可能になった。