[논문 리뷰] Joint In-Band Backhauling and Interference Mitigation in 5G Heterogeneous Networks

Trung Kien Vu, Mehdi Bennis외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 10.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 13인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 대량 MIMO 매크로 셀과 자기 백홀링 소셀을 이용한 5G 이질적 네트워크(HetNets)에서 인바운드 백홀링과 간섭 완화를 통합적으로 고려하는 프레임워크를 제안한다. 랜덤 행렬 이론과 스토하스틱 최적화를 활용하여, 28 GHz 대역에서 200 UEs/km²의 밀도로 평균 사용자 단말(UE) Throughput 1.7 Gbps, 세포 엣지 Throughput 1 Gbps를 달성하며, 초고밀도 배치에서 2.4 GHz 대비 62배의 성능 향상을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we study the problem of joint inband backhauling and interference mitigation in 5G heterogeneous networks (HetNets) in which a massive multiple-input multipleoutput (MIMO) macro cell base station equipped with a large number of antennas, overlaid with self-backhauled small cells is assumed. This problem is cast as a network utility maximization subject to wireless backhaul constraints. Due to the non-tractability of the problem, we first resort to random matrix theory to get a closed-form expression of the achievable rate and transmit power in the asymptotic regime, i.e., as the number of antennas and users grows large. Subsequently, leveraging the framework of stochastic optimization, the problem is decoupled into dynamic scheduling of macro cell users and backhaul provisioning of small cells as a function of interference and backhaul links. Via simulations, we evaluate the performance gains of our proposed framework under different network architectures and low/high frequency bands. Our proposed HetNet method achieves the achievable average UE throughput of 1.7 Gbps as well as ensures 1 Gbps cell-edge UE throughput when serving 200 UEs per km2 at 28 GHz with 1 GHz bandwidth. In ultra-dense network, the UE throughput at 28 GHz achieves 62x gain as compared to 2.4 GHz.

연구 동기 및 목표

• 인바운드 무선 백홀링과 간섭을 고려한 5G HetNets에서 네트워크 성능을 동적으로 최적화하는 과제를 해결하기 위해.
• 변동하는 무선 백홀링 제약 조건 하에서 매크로 셀 사용자와 소셀의 백홀링 대역폭을 동시에 스케줄링하기 위해.
• 대량 MIMO 기반 HetNets에서 네트워크 유틸리티를 극대화하면서 안정성 확보 및 간섭 최소화를 위해.
• 저주파수 및 고주파수 대역에서 초고밀도 mmWave 배치에서의 성능 향상을 평가하기 위해.
• 리아푸노프 최적화를 활용해 이론적 유틸리티-큐 백로그 트레이드오프를 수립하기 위해.

제안 방법

• 무선 백홀링 및 안정성 제약 조건을 포함한 네트워크 유틸리티 극대화(NUM) 문제로 문제를 수립한다.
• 큰 안테나 수의 영역에서 비합리적 신호 대 간섭 비율(SINR)에 대한 닫힌 형태의 결정적 등가를 도출하기 위해 랜덤 행렬 이론(RMT)을 적용한다.
• 리아푸노프 최적화 프레임워크를 활용해 복합 문제를 동적 스케줄링 및 백홀링 제공 문제로 분리한다.
• 결과로 발생하는 혼합 정수 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사(СА)를 활용한다.
• 스티엘티지스 변환과 행렬 트레이스 근사법을 사용해 매크로 셀 및 소셀 사용자에 대한 SINR 표현식에 대한 결정적 등가를 도출한다.
• 선형 예비처리기 설계를 통해 인접한 소셀 간 간섭을 제어할 수 있는 동적 운영 모드를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대량 MIMO 기반 5G HetNets에서 인바운드 백홀링과 간섭 완화를 어떻게 통합 최적화할 수 있는가?
• RQ2 초고밀도 HetNets에 mmWave 대역(예: 28 GHz)을 도입할 경우, 얻을 수 있는 스펙트럼 효율성과 Throughput 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 리아푸노프 파rameter ν가 동적 스케줄링에서 네트워크 유틸리티와 큐 백로그 간 트레이드오프에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 28 GHz 대비 2.4 GHz 대역을 사용할 경우, 평균 및 세포 엣지 사용자 Throughput 측면에서 기대할 수 있는 성능 향상은 얼마나 되는가?
• RQ5 안테나 수와 사용자 밀도가 제안된 프레임워크의 타당성과 성능에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 28 GHz 대역에서 1 GHz 대역폭과 200 UEs/km²의 밀도로, 제안된 HetNet는 평균 UE Throughput 1.7 Gbps, 세포 엣지 Throughput 1 Gbps를 달성한다.
• 이격거리(ISD)가 80 m인 초고밀도 배치에서, 28 GHz 대역은 2.4 GHz 대비 대역폭 확대와 빔포밍 덕분에 Throughput에서 62배의 성능 향상을 기록한다.
• ISD가 250 m일 경우, 28 GHz 대역의 Throughput 향상은 2.4 GHz 대비 56배이며, 주로 50배의 대역폭 확대와 방향성 빔포밍 덕분이다.
• ISD가 50 m 이하로 감소할 경우, 네트워크 큐 크기가 크게 증가하여 혼잡이 발생함을 시사하며, 이는 전력 조절 또는 접근 제어 조정이 필요함을 시사한다.
• 프레임워크는 [O(1/ν), O(ν)] 유틸리티-큐 백로그 트레이드오프를 보이며, ν 증가에 따라 이론적 유틸리티-지연 트레이드오프가 확인됨을 입증한다.
• 초고밀도 28 GHz 배치에서 ISD 33 m 조건에서 제안된 방법은 1 UE당 473 Mbps의 Throughput를 달성하며, 동일 조건에서 2.4 GHz 대역의 Throughput는 10 Mbps 이하로 감소한다.