[논문 리뷰] A Novel Cooperative Strategy for Wireless Multihop Backhaul Networks

Song-Nam Hong, Ivana Marić외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 01.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 29인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 그룹 순차 중계와 최적화된 양자화-맵-및-전달(QMF) 코딩 방식을 사용하여 5G 무선 멀티호프 백홀 네트워크를 위한 혁신적인 협업 전송 방식을 제안한다. 간섭을 유용한 신호로 활용하기 위해 간섭 활용 라우팅과 저복잡도 순차 MIMO 디코더를 이용함으로써, 특히 밀도가 높은 네트워크에서 스펙트럼 효율성 향상이著명하며, 전송 전력과 디코딩 복잡도를 감소시켜 전통적인 디코딩-및-전달 멀티호프 라우팅을 능가한다.

ABSTRACT

The 5G wireless network architecture will bring dense deployments of base stations called {\em small cells} for both outdoors and indoors traffic. The feasibility of their dense deployments depends on the existence of a high data-rate transport network that can provide high-data backhaul from an aggregation node where data traffic originates and terminates, to every such small cell. Due to the limited range of radio signals in the high frequency bands, multihop wireless connection may need to be established between each access node and an aggregation node. In this paper, we present a novel transmission scheme for wireless multihop backhaul for 5G networks. The scheme consists of 1) {\em group successive relaying} that established a relay schedule to efficiently exploit half-duplex relays and 2) an optimized quantize-map-and-forward (QMF) coding scheme that improves the performance of QMF and reduces the decoding complexity and the delay. We derive an achievable rate region of the proposed scheme and attain a closed-form expression in the asymptotic case for several network models of interests. It is shown that the proposed scheme provides a significant gain over multihop routing (based on decode-and-forward), which is a solution currently proposed for wireless multihop backhaul network. Furthermore, the performance gap increases as a network becomes denser. For the proposed scheme, we then develop energy-efficient routing that determines {\em groups} of participating relays for every hop. To reflect the metric used in the routing algorithm, we refer to it as {\em interference-harnessing} routing. By turning interference into a useful signal, each relay requires a lower transmission power to achieve a desired performance compared to other routing schemes. Finally, we present a low-complexity successive decoder, which makes it feasible to use the proposed scheme in practice.

연구 동기 및 목표

• 무선 멀티호프 중계를 통해 밀도가 높은 5G 소셀 배치에서의 백홀 용량 병목 문제를 해결한다.
• 고밀도 네트워크에서 간섭 인식 라우팅 및 디코딩-및-전달 멀티호프 방식의 한계를 극복한다.
• 간섭을 소음으로 간주하는 대신 유용하게 활용하는 협업 전송 방식을 개발한다.
• 전송 전력을 줄이기 위해 간섭을 활용하는 에너지 효율적인 릴레이 선택 알고리즘을 설계한다.
• 저복잡도 순차 MIMO 디코더를 도입하여 실용적인 구현 가능성을 확보한다.

제안 방법

• 모든 L개의 소스가 동시에 전송하고, 각 홉에서 L개의 릴레이가 수신된 신호의 함수를 전달하는 그룹 순차 중계를 도입한다.
• 릴레이에서 수신 신호를 최적화된 양자화 방식으로 처리하여 성능 향상과 디코딩 지연 감소를 달성하는 최적화된 QMF 방식을 제안한다.
• 수신 전력이 가장 높은 릴레이를 선택하여 간섭을 유용한 신호로 활용하는 간섭 활용 라우팅을 개발한다.
• 비례 모델 기반의 점점 커지는 네트워크에서 제안된 방식의 달성 가능한 신속 영역을 닫힌 형태로 유도한다.
• 선형 수신기(예: 간섭 없음(IF) 수신기)를 사용하여 최소한의 복잡도로 근사 최대우도(ML) 성능을 달성하는 저복잡도 순차 MIMO 디코더를 설계한다.
• 실용적 구현을 위해 중간 복잡도로 구현 가능한 점대점 채널 코드(예: LDPC, 폴라 코드)를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 멀티호프 백홀 네트워크에서 간섭을 피하는 대신 어떻게 활용하여 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 밀도가 높은 네트워크에서 기존의 디코딩-및-전달 멀티호프 라우팅 대비 제안된 QMF 기반 방식의 달성 가능한 신속 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 네트워크 밀도(즉, 소수 L의 수) 증가에 따라 제안된 방식의 성능는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 저복잡도 순차 디코더는 근사 최적 성능을 달성하면서도 실용성은 유지할 수 있는가?
• RQ5 간섭 활용 라우팅은 간섭 인식 또는 기존 라우팅 대비 릴레이 전송 전력을 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방식은 멀티호프 라우팅(디코딩-및-전달) 대비 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하며, 네트워크 밀도(L) 증가에 따라 성능 격차가 더욱 커진다.
• 고신호대간섭비(SNR) 영역에서는 강력한 간섭을 활용할 수 있는 제안된 방식이 멀티호프 라우팅을 능가한다. 반면 멀티호프 라우팅은 단일 링크에서의 간섭으로 인해 제한된다.
• 제안된 방식의 에너지 효율성은 네트워크 밀도 증가에 따라 향상되어 동일한 성능에서 릴레이 전송 전력을 낮출 수 있다.
• 간섭 활용 라우팅은 간섭을 피하는 대신 유용한 간섭을 활용하는 릴레이를 선택함으로써 릴레이 전송 전력을 감소시킨다. 반면 간섭 인식 라우팅은 간섭을 피하려는 경향이 있다.
• 간섭 없음(IF) 수신기를 사용하는 순차 MIMO 디코더는 ML 성능에 1비트 이내로 근접하며, 특히 4홉 이하의 네트워크에서는 멀티호프 라우팅을 능가한다.
• 최적화된 QMF 방식은 기존 QMF 대비 성능 향상을 크게 이끌어내고 디코딩 복잡도를 감소시켜 5G 백홀 네트워크에서 실시간 구현에 실용적인 방식이 된다.