[논문 리뷰] Integrated Access and Backhaul Optimization for Millimeter Wave Heterogeneous Networks

Yilin Li, Jian Luo외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 15.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 27인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 방향성 빔포밍을 활용하여 공간 재사용과 데이터 전송률을 극대화하기 위해 밀리미터 웨이브 이종망에서 통합 액세스 및 백홀(IAB)을 갖춘 공동 스케줄링 및 자원 할당 알고리즘과 동적 라우팅 기법을 제안한다. 이 방법은 낮은 지연 시간으로 이론적 최적에 가까운 성능을 달성하며, 유연한 업링크/다운링크 슬롯 할당을 지원하고, 점대점 및 점대다점 통신을 위한 하프드플렉스 및 패러드플렉스 운영을 향상시킨다.

ABSTRACT

By allowing a large number of links to be simultaneously transmitted, directional antenna arrays with beamforming have been envisioned as a promising candidate to reach unprecedented levels of spatial isolation. To achieve the high efficiency of spatial reuse in improving system performance, an optimization problem that maximizes the achievable data rate of a multihop heterogeneous network, which incorporates the concept of integrated access and backhaul and supports both downlink and uplink transmissions on access and backhaul links, is formulated. The optimization problem is then systematically decomposed and demonstrated as NP-hard, and a heuristic joint scheduling and resource allocation algorithm is proposed to maximize the achievable data rate. In addition, an efficient dynamic routing algorithm is proposed to further enhance the data rate. With extensive system-level simulations, it is demonstrated that the proposed algorithms achieve significant gain over benchmark schemes, in terms of data rate, and closely approach the theoretical optimum, yet with lower latency. Besides, the proposed algorithms enable a flexible adjustment of downlink and uplink transmission duration allocation and support both half- and full-duplex modes with considerable performance enhancement. In particular, the proposed algorithms are capable of fulfilling different performance requirements for both point-to-point and point-to-multipoint communications.

연구 동기 및 목표

• 무선 백홀 링크가 블로킹과 경로 손실에 취약한 밀리미터 웨이브 이종망에서 데이터 전송률을 극대화하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 방향성 빔포밍과 간섭 제약 조건을 고려하여 다중 홉 mmWave 네트워크에서 공간 재사용을 최적화하기 위해 전송을 공동 스케줄링하고 자원을 할당하는 것을 목적으로 한다.
• 실시간 네트워크 부하와 트래픽에 적응하는 동적 라우팅 알고리즘을 설계하여 데이터 전송률을 추가로 향상시키기 위해.
• 다양한 통신 시나리오를 위한 민감한 다운링크/업링크 슬롯 할당 및 하프드플렉스 및 패러드플렉스 운영을 지원하기 위해.

제안 방법

• 다운링크 및 업링크 전송이 액세스 및 백홀 링크에 모두 존재하는 다중 홉 mmWave IAB 이종망에서의 구현 가능한 전송률을 극대화하기 위해 NP-난문 최적화 문제를 수립한다.
• 문제를 공동 스케줄링 및 자원 할당으로 분해하고, 전력 및 간섭 제약 조건 하에서 전송률을 극대화하기 위한 휴리스틱 알고리즘을 제안한다.
• 실시간 네트워크 조건과 트래픽 부하를 기반으로 기지국과 사용자 장비 간 최적 경로를 탐색하는 동적 라우팅 알고리즘을 도입한다.
• 이완된 최적화 문제를 해결하기 위해 수정된 KKT 기반 전력 할당 방법을 사용하며, 최적 전력 할당은 라그랑주 승수와 채널 이득에서 유도된다.
• 현실적인 mmWave 전파를 모델링하기 위해 빔포밍 이득과 경로 손실 모델을 통합하여 방향성 링크 격리와 간섭을 고려한다.
• 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 벤치마크와의 성능을 평가하며, 알고리즘이 이론적 최적에 가까운 성능과 낮은 지연 시간을 보임을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방향성 빔포밍과 간섭을 고려할 때, mmWave IAB 이종망에서 공동 스케줄링 및 자원 할당을 어떻게 최적화하여 전송률을 극대화할 수 있는가?
• RQ2 변동하는 트래픽과 부하를 가진 mmWave IAB 네트워크에서 동적 다중 홉 라우팅이 전송률 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비대칭 트래픽 수요가 있는 mmWave IAB 네트워크에서 민감한 업링크/다운링크 슬롯 할당은 시스템 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 제안된 알고리즘이 하프드플렉스 및 패러드플렉스 전송 모드에서 어떻게 작동하며, 스펙트럼 효율성 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 제안된 휴리스틱 알고리즘이 낮은 계산 지연 시간을 유지하면서도 이론적 최적에 얼마나 가까이 접근할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 공동 스케줄링 및 자원 할당 알고리즘은 광범위한 시스템 수준 시뮬레이션에서 벤치마크 방법 대비 뚜렷한 전송률 향상을 달성한다.
• 이론적 최적에 매우 가까운 구현 가능한 전송률을 달성하며, 전수 검색 방법 대비 상당히 낮은 지연 시간을 기록한다.
• 동적 라우팅 알고리즘이 실시간 네트워크 부하와 트래픽 조건에 기반해 최적의 다중 홉 경로를 적극적으로 선택함으로써 전송률을 추가로 향상시킨다.
• 시스템은 민감한 다운링크 및 업링크 슬롯 할당을 지원하여 다양한 사용자 수요 패턴에 맞는 성능 적응이 가능하다.
• 제안된 알고리즘은 하프드플렉스 및 패러드플렉스 모드 모두에서 상당한 성능 향상을 달성하며, 특히 점대다점 및 점대점 통신에 유리하다.
• 이 솔루션은 뛰어난 확장성과 적응 능력을 보이며, 고밀도 mmWave HetNets에서 간섭을 효과적으로 관리하고 공간 재사용을 극대화한다.