[논문 리뷰] Beamwidth Optimization in Millimeter Wave Small Cell Networks with Relay Nodes: A Swarm Intelligence Approach

Cristina Perfecto, Javier Del Ser외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 18.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 중계 노드가 있는 밀리미터파 소셀 네트워크에서 전송량을 극대화하기 위해 입자군집최적화(PSO) 기반의 군집지능 기반 비드폭 최적화를 제안한다. TDMA 및 'all-on' 스케줄링에서 동시 최적화된 비드폭과 정렬 지연을 통해, 전체 평균 노드당 전송량이 최대 248% 향상되었으며, 이는 정렬 지연이 광범위한 비드폭 훈련을 사용할 경우 간섭보다 성능에 더 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communications have been postulated as one of the most disruptive technologies for future 5G systems. Among mmWave bands the 60-GHz radio technology is specially suited for ultradense small cells and mobile data offloading scenarios. Many challenges remain to be addressed in mmWave communications but among them deafness, or misalignment between transmitter and receivers beams, and interference management lie among the most prominent ones. In the recent years, scenarios considering negligible interference on mmWave resource allocation have been rather common in literature. To this end, interestingly, many open issues still need to be addressed such as the applicability of noise-limited regime for mmWave. Furthermore, in mmWave the beam-steering mechanism imposes a forced silence period, in the course of which no data can be conveyed, that should not be neglected in throughput/delay calculations. This paper introduces mmWave enabled Small Cell Networks (SCNs) with relaying capabilities where as a result of a coordinated meta-heuristically optimized beamwidth/alignment-delay approach overall system throughput is optimized. Simulations have been conveyed for three transmitter densities under TDMA and naive 'all-on' scheduling producing average per node throughput increments of up to 248%. The paper further elaborates on the off-balancing impact of alignment delay and time-multiplexing strategies by illustrating how the foreseen transition that increasing the number of transmitters produces in the regime of a fixed-node size SCN in downlink operation fades out by a poor choice in the scheduling strategy.

연구 동기 및 목표

• 중계 노드가 있는 밀리미터파 소셀 네트워크에서 비드폭 정렬 지연과 다중 사용자 간섭 사이의 상충 관계를 해결한다.
• 방향성 비드를 갖춘 밀리미터파 네트워크에서 중계 접근 제어(MAC) 전략이 시스템 전송량에 미치는 영향을 조사한다.
• 중계 기반 밀리미터파 다운링크 시나리오에서 평균 노드당 전송량을 극대화하기 위해 전송 및 수신 비드폭을 최적화한다.
• TDMA 대비 'all-on' 스케줄링과 같은 다양한 송신기 밀도 및 스케줄링 전략 하에서 중심화된 PSO 기반 비드폭 최적화의 효과를 평가한다.

제안 방법

• 중계 기반 밀리미터파 소셀 네트워크에서 각 송신기-수신기 쌍에 대해 전송 및 수신 비드폭을 동시에 최적화하기 위해 입자군집최적화(PSO)를 활용한다.
• 고정 노드 크기 시나리오로 시스템을 모델링하고, 5, 9, 18의 세 가지 다른 액세스 포인트/사용자 장비(AUE/CUE) 밀도 수준을 고려한다.
• 거친 및 정밀한 스캔을 포함한 3단계 비드코드북 기반의 비드 정렬 프로토콜을 사용하여 실제 비드 훈련 오버헤드를 시뮬레이션한다.
• TDMA(시간분할다중접근) 및 'all-on'(비직교, 동시 전송)의 두 가지 스케줄링 전략을 시뮬레이션하여 MAC 영향을 평가한다.
• 정렬 지연, 간섭, 신호대간섭더블노이즈비(SINR)를 전송량 계산에 통합하여 실제 환경 제약 조건을 반영한다.
• MAC 레이어 영향을 완화하는 통합 최적화 접근 방식을 적용하여 비드폭과 정렬 지연 간 상충 관계에 집중할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSO 기반의 비드폭 최적화는 중계 노드가 있는 밀리미터파 소셀 네트워크에서 평균 노드당 전송량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 MAC 스케줄링 전략 하에서 정렬 지연과 간섭이 시스템 전송량에 미치는 상대적 영향은 어떠한가?
• RQ3 비드폭 최적화를 통해 간섭을 얼마나 줄일 수 있으며, 이 감소 효과가 잠재적인 SINR 열화를 상쇄할 수 있는가?
• RQ4 고정 노드 크기 네트워크에서 송신기 밀도가 증가함에 따라 비드폭 최적화의 성능 향상은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 지능적인 비드폭 제어를 통해 비드 정렬 지연을 최소화할 경우, 밀리미터파 시스템에서 노이즈 제한 영역을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• TDMA 스케줄링 하에서 제안된 PSO 기반 비드폭 최적화로 인해 고밀도 송신기(18개 AUE) 조건에서 평균 노드당 전송량이 최대 248.80% 향상되었다.
• "all-on" 스케줄링 하에서 18개 AUE 조건에서 전송량 향상률이 219.03%에 도달하여, 비직교 접근 조건에서도 뚜렷한 성능 향상이 확인되었다.
• PSO 최적화 이후 TDMA 조건에서는 간섭 수준이 최대 66.19% 감소하였고, 'all-on' 조건에서는 97.61% 감소하여 효과적인 간섭 완화가 이루어졌음을 시사한다.
• 최종 SINR 값은 초기 수준(예: 약 69.5 dB에서 약 33 dB)으로 하락했지만, 여전히 높은 전송량 향상이 이루어져 정렬 지연 감소가 SINR 열화를 초월함을 증명한다.
• 연구 결과, 정렬 지연은 전송량에 선형적 영향을 미치며, SINR은 로그적 영향을 미친다는 점을 확인하여, 비드 훈련 시나리오에서 지연 감소가 간섭 최소화보다 더 중요하다는 것을 입증한다.
• MAC 전략 영향을 통합 최적화로 제거함으로써 시스템은 간섭 제한 영역에서 노이즈 제한 영역으로 전환되었으며, 간섭 수준은 항상 -83 dBm 이하로 유지되어 배경 노이즈 수준에 가까워졌다.