[논문 리뷰] Max-Min Rates in Self-backhauled Millimeter Wave Cellular Networks

Mandar N. Kulkarni, Amitava Ghosh외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 02.

Millimeter-Wave Propagation and ModelingEngineering참고 문헌 35인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 k-링 도시계곡 모델을 사용하여 자기백홀된 mmWave 림계 네트워크에서 최소 종단 간 데이터 전송률을 최대화하기 위한 분석적 프레임워크를 제안한다. 다양한 구성—예를 들어 IAB 대비 OAB, 반중복/전중복, 이중 연결성—하에 최소 최대 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, 현실적인 부하 조건에서 OAB가 더 단순한 구현과 유사한 성능를 보이며 IAB를 능가함을 보여준다.

ABSTRACT

This paper considers the following question for viable wide-area millimeter wave cellular networks. What is the maximum extended coverage area of a single fiber site using multi-hop relaying, while achieving a minimum target per user data rate? We formulate an optimization problem to maximize the minimum end-to-end per user data rate, and exploit unique features of millimeter wave deployments to yield a tractable solution. The mesh network is modeled as a $k-$ring urban-canyon type deployment, where $k$ is the number of hops back to the fiber site. The total number of relays per fiber site grows as $k^2$. We consider both integrated access-backhaul (IAB) and orthogonal access-backhaul (OAB) resource allocation strategies, as well as both half and full duplex base stations (BSs). With a few validated simplifications, our results are given as simple closed-form expressions that are easy to evaluate even for large networks. Several design guidelines are provided, including on the choice of routing and scheduling strategy, the maximum allowable self-interference in full duplex relays and role of dual connectivity to reduce load imbalance across BSs. For example, we show that for certain load conditions there is very little gain to IAB (as considered for 5G) as opposed to tunable OAB (using separate spectrum for access and backhaul links); the latter being significantly simpler to implement.

연구 동기 및 목표

• 단일 파이버 사이트의 최대 확장 커버리지 영역을 mmWave 림계 네트워크에서 결정함으로써, 사용자당 최소 데이터 전송률을 확보하고자 한다.
• 자기백홀된 mmWave 네트워크에서 다중 홉 릴레이를 통한 배치 비용 증가와 종단 사용자 전송률 저하 사이의 상호 교환 조건을 다루고자 한다.
• 방향성 전송을 고려한 노이즈 제한 mmWave 메시 네트워크에서 최소 최대 전송률 최적화를 위한 실용적인 최적화 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 자원 할당 전략(예: IAB 대비 OAB), 중복 방식(반중복/전중복), 이중 연결성의 영향을 네트워크 성능에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
• 모델링 및 시뮬레이션을 통해 검증된 간단한 가정 기반 폐쇄형 표현식을 바탕으로 실용적 배치를 위한 설계 지침을 제공하고자 한다.

제안 방법

• mmWave 네트워크를 BS가 2차원 정사각형 격자에 위치한 k-링 도시계곡 배치로 모델링하며, 중계 수는 $k^2$로 증가한다.
• 방향성 비임파르, 고경로 손실, 제한된 회절로 인해 노이즈 제한 작동을 가정하여 간섭 모델링을 단순화한다.
• 시간 할당 비율 제약 조건을 사용하여 최소 최대 전송률 $\gamma^*$에 대한 폐쇄형 상한을 유도한다: $\gamma^* = \left(\frac{w_{0,0}}{R_a} + \frac{f(0,0) - w_{0,0}}{R_1}\right)^{-1}$, 여기서 $w_{0,0}$는 MBS가 서비스하는 UE 수이고 $f(0,0)$는 총 백홀 부하이다.
• 근접 이웃 고속도로 라우팅(NNHR) 전략을 제안하여, 사용자 및 백홀 요구량에 비례하는 시간 할당 비율을 할당함으로써 모든 사용자가 이론적 최소 최대 전송률 $\gamma^*$를 달성하도록 보장한다.
• 모든 다른 라우팅 전략이 낮은 전송률의 백홀 링크를 사용할 경우 달성 가능한 최소 최대 전송률이 $\gamma^*$ 이하가 되므로, NNHR의 최적성은 입증된다.
• 통합 액세스-백홀(IAB) 및 수직 액세스-백홀(OAB) 전략의 성능를 분석하여, OAB가 일반적으로 더 낮은 복잡도로 유사하거나 더 우수한 성능를 제공함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기백홀된 mmWave 네트워크에서 사용자당 최소 전송률을 유지하면서 단일 파이버 사이트가 지원할 수 있는 최대 커버리지 반경(링 수 k 기준)은 얼마인가?
• RQ2 다양한 자원 할당 전략—통합 액세스-백홀(IAB) 대비 수직 액세스-백홀(OAB)—은 mmWave 메시 네트워크에서 최소 최대 사용자 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기간섭 제거가 임계값 이하로 유지되지 않는 한, 전중복 릴레이가 반중복 릴레이보다 최소 최대 전송률 측면에서 유의미한 성능 향상을 제공하는가? 그리고 자가간섭 제거에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 이중 연결성은 자기백홀된 mmWave 네트워크에서 부하 균형 조절 및 사용자당 전송률 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 방향성 전송 및 도시계곡 전파 조건을 고려한 현실적인 mmWave 배치 가정 하에서 최소 최대 전송률에 대한 실용적 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 최소 최대 전송률 $\gamma^*$는 파이버 사이트가 근접 이웃 고속도로 라우팅(NNHR)을 사용할 때 도달되며, 상한 $\gamma^* = \left(\frac{w_{0,0}}{R_a} + \frac{f(0,0) - w_{0,0}}{R_1}\right)^{-1}$ 는 날카롭고 달성 가능한 것으로 밝혀졌다.
• 일반적인 부하 조건 하에서 OAB는 IAB보다 최소 최대 전송률 측면에서 뛰어나며, IAB의 성능 향상은 미미하여 OAB는 더 낮은 구현 복잡도로 인해 더 실용적인 선택이다.
• 자기간섭이 임계값 이하로 억제되지 않는 한, 전중복 릴레이가 최소 최대 전송률 향상에 유의미한 기여를 하지 못한다. 이는 실생활에서 도전적인 과제이다.
• 이중 연결성은 기지국 간 부하 불균형을 줄이고 공정성을 향상시키며, 특히 고부하 상황에서 유용하다.
• 노이즈 제한 가정 하에서 k-링 모델을 사용하면 폐쇄형 해를 도출할 수 있어 프레임워크가 확장 가능하며, 대규모 최적화가 필요 없이 네트워크 설계에 적합하다.
• 백홀 링크 전송률이 $R_1$(가장 가까운 이웃 링크의 전송률) 이하인 모든 라우팅 전략은 $\gamma^*$ 이하의 최소 최대 전송률을 초래하므로, NNHR의 최적성이 입증된다.