[논문 리뷰] FSO-based Vertical Backhaul/Fronthaul Framework for 5G+ Wireless Networks

Mohamed Alzenad, Muhammad Zeeshan Shakir외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 05.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 드론 및 고고도 플랫폼을 포함한 네트워크화된 비행 플랫폼(NFP)을 사용하여 소셀을 핵심 네트워크에 자유공간 광학(FSO) 링크를 통해 연결하는 새로운 FSO 기반 수직 백홀/프론트홀 프레임워크를 제안한다. 시뮬레이션 결과, 유리한 기상 조건에서는 다수 기가비트(Gbps)의 데이터 전송 속도를 달성하며, 대기 투과 손실과 시스템 비용과 같은 과제에도 불구하고 초고밀도 5G+ 네트워크에 대해 확장 가능하고 고용량 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

The presence of a super high rate, but also cost-efficient, easy-to-deploy, and scalable, backhaul/fronthaul framework is essential in the upcoming fifth-generation (5G) wireless networks \\& beyond. Motivated by the mounting interest in the unmanned flying platforms of various types including unmanned aerial vehicles (UAVs), drones, balloons, and high-altitude/medium-altitude/low-altitude platforms (HAPs/MAPs/LAPs), which we refer to as the networked flying platforms (NFPs), for providing communications services and the recent advances in free-space optics (FSO), this article investigates the feasibility of a novel vertical backhaul/fronthaul framework where the NFPs transport the backhaul/fronthaul traffic between the access and core networks via point-to-point FSO links. The performance of the proposed innovative approach is investigated under different weather conditions and a broad range of system parameters. Simulation results demonstrate that the FSO-based vertical backhaul/fronthaul framework can offer data rates higher than the baseline alternatives, and thus can be considered as a promising solution to the emerging backhaul/fronthaul requirements of the 5G+ wireless networks, particularly in the presence of ultra-dense heterogeneous small cells. The paper also presents the challenges that accompany such a novel framework and provides some key ideas towards overcoming these challenges.

연구 동기 및 목표

• 5G+ 무선 시스템에서 초고밀도 이종 소셀 네트워크의 높은 구축 및 백홀 비용 문제를 해결하기 위해.
• 네트워크화된 비행 플랫폼(NFP)을 소셀을 핵심 네트워크에 연결하는 이동식 백홀/프론트홀 노드로 활용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• NFP와 지상 소셀 기지국 간의 고속, 선로 간섭 없는 통신을 위한 자유공간 광학(FSO) 기술의 성능을 평가하기 위해.
• NFP 기반 백홀/프론트홀 시스템과 관련된 주요 기술적·운영적 과제—기상에 의한 링크 감쇠, 적재 용량 제약, 보안 등—을 규명하기 위해.
• FSO 및 NFP 기술의 경제적 타당성과 향후 비용 절감 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 NFP와 소셀 기지국(SBS) 간의 포인트투포인트 자유공간 광학(FSO) 링크를 사용하여 고속, 라이선스가 필요 없는 통신을 가능하게 한다.
• 드론, 고도 기반 복합체, 고·중·저고도 플랫폼을 포함한 NFP는 수직 백홀/프론트홀 링크를 구축하기 위한 이동식 릴레이 노드로 기능한다.
• dense 안개 및 구름과 같은 다양한 대기 조건 하에서 경로 손실, 송신 전력, 수신 감도를 모델링하기 위해 링크 예산 분석을 수행한다.
• NFP의 적재 용량 제약과 백홀 링크 용량 제약을 시스템 모델에 통합하여 각 NFP가 처리할 수 있는 소셀 수를 제한한다.
• 시스템 수준의 시뮬레이션을 통해 다양한 기상 조건과 링크 파arameter 하에서 달성 가능한 데이터 전송 속도를 계산하여 성능을 평가한다.
• 데이터 전송 속도, 구축 비용, 확장성 측면에서 기존의 지상 기반 백홀 솔루션과 프레임워크를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NFP를 활용한 FSO 기반 수직 백홀/프론트홀이 초고밀도 5G+ 소셀 배치에 필요한 데이터 전송 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 안개 및 구름과 같은 대기 조건은 제안된 프레임워크에서 FSO 링크의 신뢰성과 데이터 전송 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 FSO 시스템에서 빔 분산 각도가 링크 성능과 달성 가능한 데이터 전송 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 NFP의 적재 용량과 백홀 용량 제약은 각 플랫폼이 처리할 수 있는 소셀 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 구현을 위해 해결해야 할 주요 기술적·규제 과제—보안, 개인정보 보호, 항공 교통 규제 등—는 무엇인가?

주요 결과

• FSO 기반 수직 백홀/프론트홀 프레임워크는 명확한 기상 조건과 중간 정도의 대기 조건에서 다수 기가비트(Gbps)의 데이터 전송 속도를 달성하여 고용량 잠재력을 입증한다.
• 강한 안개 조건에서는 경로 손실이 크게 증가하여 깊은 감쇠가 발생하고 데이터 전송 속도가 감소하여 기상 조건이 성능의 주요 제한 요소가 된다.
• FSO 빔의 분산 각도를 줄이면 링크 성능이 향상되고, 악조건에서도 1 Gbps 이상의 전송 속도를 달성할 수 있다.
• 지상 솔루션 대비 총 소유비용(TCO)이 높지만, 기술의 숙련도 향상과 규모의 경제로 인해 비용 감소 속도가 더 빠를 것으로 예상된다.
• 선로 간섭이 있는 초고밀도 도심 지역에서 가장 효과적이며, 기존 백홀 솔루션에 대한 실질적인 대안을 제공한다.
• 보안 및 개인정보 보호 위험—NFP의 약탈, 무단 데이터 수집 등—은 강력한 제어 및 규제 메커니즘이 필요로 하는 주요 운영적 우려 사항으로 규명되었다.