[논문 리뷰] Designing Cost- and Energy-Efficient Cell-Free Massive MIMO Network with Fiber and FSO Fronthaul Links

Pouya Agheli, Mohammad Javad Emadi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 17.

Advanced Photonic Communication Systems참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 최적의 광섬유 및 자유공간 광(Free Space Optical, FSO) 프론트홀 링크 조합을 통해 비용 및 에너지 효율적인 셀리스 대량 MIMO 네트워크 설계를 제안한다. 상향링크의 구현 가능한 데이터율, 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 현실적인 전력 및 대역폭 제약 조건 하에서 성능을 최대화하기 위해 최적의 광섬유/FSO 링크 수와 광섬유 대역폭을 결정한다.

ABSTRACT

The emerging cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) is a promising scheme to tackle the capacity crunch in wireless networks. Designing the optimal fronthaul network in the CF-mMIMIO is of utmost importance to deploy a cost- and energy-efficient network. In this paper, we present a framework to optimally design the fronthaul network of CF-mMIMO utilizing optical fiber and free space optical (FSO) technologies. We study an uplink data transmission of the CF-mMIMO network wherein each of the distributed access points (APs) is connected to a central processing unit (CPU) through a capacity-limited fronthaul, which could be the optical fiber or FSO. Herein, we have derived achievable rates and studied the network's energy efficiency in the presence of power consumption models at the APs and fronthaul links. Although an optical fiber link has a larger capacity, it consumes less power and has a higher deployment cost than that of an FSO link. For a given total number of APs, the optimal number of optical fiber and FSO links and the optimal capacity coefficient for the optical fibers are derived to maximize the system's performance. Finally, the network's performance is investigated through numerical results to highlight the effects of different types of optical fronthaul links.

연구 동기 및 목표

• 무선 네트워크의 증가하는 대역폭 수요 문제를 해결하기 위해 셀리스 대량 MIMO(CF-mMIMO) 네트워크의 프론트홀 설계를 최적화한다.
• 광섬유 및 자유공간 광(Free Space Optical, FSO) 링크를 조합하여 CF-mMIMO 프론트홀의 구축 비용과 에너지 소비를 균형 있게 조절한다.
• 대역폭 제한된 프론트홀 링크 조건 하에서 구현 가능한 상향링크 데이터율, 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성에 대한 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• 시스템 성능을 최대화하기 위해 최적의 광섬유 및 FSO 링크 수와 광섬유 링크의 최적 대역폭 계수를 결정한다.
• 실제 전력 및 대역폭 제약 조건 하에서 다양한 프론트홀 기술이 네트워크 성능에 미치는 영향을 수치적 결과를 통해 평가한다.

제안 방법

• 최대비율 수신(MRC) 및 사용 후 폐기(UatF) 기법을 사용하여 상향링크의 폐쇄형 구현 가능한 데이터율을 유도한다.
• 접근점(APs) 및 프론트홀 링크의 전력 소비를 모델링하며, 이는 광섬유 및 FSO 기술을 모두 포함한다.
• 각 AP가 중앙처리장치(CPU)에 광섬유 또는 FSO 링크를 통해 연결되는 하이브리드 프론트홀 아키텍처를 도입한다.
• 광섬유 및 FSO 링크의 대역폭 제한 및 전력 소비를 고려한 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성 표현식을 개발한다.
• 수학적 최적화 기법을 사용하여 최적의 광섬유 및 FSO 링크 수와 광섬유 링크의 최적 대역폭 계수를 도출한다.
• 복잡한 도함수를 단순화하고 2차 방정식의 최적 해를 구하기 위해 점근적 근사(예: 작은 x에 대해 ln(1+x) ≈ x)를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CF-mMIMO 네트워크에서 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성을 최대화하기 위해 최적의 광섬유 및 FSO 프론트홀 링크 수는 각각 얼마인가?
• RQ2 혼합 광섬유-FSO 프론트홀 배치 조건에서 광섬유 링크의 대역폭 계수는 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CF-mMIMO에서 광섬유 대비 FSO 프론트홀을 사용할 경우, 구축 비용과 에너지 효율성 간의 상호 교환 관계는 어떻게 되는가?
• RQ4 AP 및 프론트홀 링크의 전력 소비 모델은 구현 가능한 상향링크 데이터율과 시스템 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 대역폭 제약 조건을 준수하면서 에너지 효율성을 최대화하는 광섬유 및 FSO 링크의 최적 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 최적의 광섬유 링크 수는 채널 및 전력 파rameter를 포함한 2차 방정식에 기반한 폐쇄형 해로 유도되며, 시스템 파rameter의 함수로 표현된다.
• 최적의 FSO 링크 수는 링크 대역폭 및 시스템 부하에 관한 유도된 이차방정식을 풀어 결정되며, 이는 최대 스펙트럼 및 에너지 효율성을 보장한다.
• 접근점 수가 많아질수록 FSO 배치 비용 및 대역폭 제약의 영향이 지배적이 되어 최적의 구성이 광섬유 링크 수가 0(즉, 전적으로 FSO)으로 이동할 수 있다.
• 유도된 스펙트럼 효율성 표현식은 프론트홀 대역폭 제한 및 전력 소비를 모두 반영하며, 링크 유형과 시스템 성능 간의 상호 교환 관계를 보여준다.
• 수치적 결과는 하이브리드 광섬유-FSO 프론트홀이 단일 기술 사용에 비해 에너지 효율성을 크게 향상시키며, 특히 사용자 밀도가 높을 경우 두드러진다.
• 점근적 근사를 활용한 최적화 기법은 해석 가능하고 실용적인 폐쇄형 해를 도출할 수 있게 하여, 네트워크 구축에 적합한 정확한 결과를 제공한다.