[논문 리뷰] Stochastic Geometry Analysis of Uplink Cellular Networks with FSO Backhauling: Cooperative Relaying Vs. Reflecting Surfaces

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 28.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 62인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 자유공간 광학(FSO) 백홀링을 갖춘 업링크 셀룰러 네트워크의 확률적 기하학 기반 성능 분석을 제시하며, 해독-전달(DF) 리레이팅과 지능형 반사 표면(IRS)을 비교한다. 간섭을 억제하기 위해 최적의 IRS 위상 시프트 설계를 제안하고, 고신호대역비(SNR) 영역에서 더 높은 스펙트럼 효율성과 다양성 이득을 달성함으로써, 작은 수의 반사 요소를 가진 경우에도 IRS가 DF 리레이팅을 능가함을 보여준다.

ABSTRACT

In this work, we consider the performance analysis of the uplink cellular networks with free space optics (FSO) backhauling. The user equipment (UE) communicates with the nearest Base Station (BS) in first slot while in second slot, the BS converts the received radio frequency (RF) signal into FSO pulse and transmits to the data center. We adopt the Rayleigh fading for the uplink channels while the FSO backhaul encompasses the turbulence-induced fading which follows the Málaga distribution, the weather pathloss, and the pointing errors fading which is distributed following the generalized Beckmann model. Further, we will compare the performances when the BS behaves as either a decode-and-forward (DF) relay or an intelligent reflecting surface (IRS). Next, we will propose an optimal design of the phase shifters of the IRS to minimize the interference and improve the rate to beat relaying. Capitalizing on this framework, we will derive the system performance metrics such as the coverage probability as well as the spectral efficiency. Focusing on high SNR, we will obtain the diversity gain to get engineering insights into the system performance and limitations. Finally, the analytical results are confirmed by Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 실제 채널 조건 하에서 FSO 백홀링을 갖춘 업링크 셀룰러 네트워크의 성능을 분석한다.
• growing 데이터 수요와 설치 제약 조건을 충족하지 못하는 전통적인 RF 및 섬유 백홀링의 한계를 다룬다.
• FSO 백홀링 업링크에 대한 두 가지 새로운 솔루션—DF 리레이팅과 지능형 반사 표면(IRS)—을 비교한다.
• 간섭을 최소화하고 신호 이득을 극대화하기 위해 최적의 IRS 위상 시프트 설계를 개발한다.
• 고신호대역비 조건 하에서 커버리지 확률, 스펙트럼 효율성, 다양성 이득에 대한 해석적 표현을 제공한다.

제안 방법

• 채널을 레이일리 fading으로 모델링하고, FSO 백홀링은 난류에 대한 말라가 분포와 포인팅 오차에 대한 베크만 fading을 사용한다.
• 기지국(BS) 위치를 모델링하기 위해 포아송 점 프로세스(PPP)를 사용하고 간섭의 라플라스 변환을 유도하기 위해 확률적 기하학을 적용한다.
• PPP의 PGFL과 모멘트 생성 함수를 사용하여 신호-간섭-노이즈비(SINR) 통계를 유도한다.
• 간섭 방향을 제거하면서도 직시선(LOS) 신호 전력은 극대화하는 최적의 IRS 위상 시프트 설계를 제안한다.
• 커버리지 확률, 에르고딕 레이트, 다양성 이득에 대한 분석 결과를 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 고신호대역비 행동을 분석하여 다양성 이득을 유도하고, 시스템의 한계와 성능 트레이드오프에 대한 공 ing 사이언스 통찰을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류, 포인팅 오차, 경로 손실을 모두 포함한 실제 채널 모델 하에서 FSO 백홀링 업링크 셀룰러 네트워크의 성능은 어떻게 변할까?
• RQ2 FSO 백홀링 업링크 네트워크에서 지능형 반사 표면(IRS)이 스펙트럼 효율성과 커버리지 확률 측면에서 해독-전달(DF) 리레이팅을 능가할 수 있는가?
• RQ3 다중 간섭자가 존재하는 조건에서 간섭을 최소화하고 수신 신호 전력을 극대화하기 위한 최적의 IRS 위상 시프트 설계는 무엇인가?
• RQ4 고신호대역비 조건 하에서 시스템의 다양성 이득은 얼마이며, IRS와 DF 리레이팅 간의 차이는 무엇인가?
• RQ5 IRS가 비용과 크기 효율성을 유지하면서 DF 리레이팅을 능가하기 위해 필요한 반사 요소의 수는 얼마인가?

주요 결과

• 최적의 위상 시프트 설계가 이루어진 경우, 반사 요소 수가 적더라도(예: N=5 또는 N=10) IRS는 스펙트럼 효율성에서 DF 리레이팅을 능가한다.
• 최적의 IRS 설계는 다중접속 이득이 아닌 전력 오프셋(SNR 이득)을 제공하므로, 자유도를 증가시키지 않더라도 성능 향상을 달성한다.
• IRS는 간섭 방향에 노드를 배치하고 목적지 링크에 에너지를 집중시킴으로써 DF 리레이팅보다 더 높은 커버리지 확률과 에르고딕 레이트를 달성할 수 있다.
• 다양성 이득 분석 결과, 고신호대역비 조건에서 IRS와 DF 리레이팅 모두 전 연속 다중도를 달성하지만, IRS는 더 나은 간섭 관리로 인해 더 높은 SNR 오프셋을 확보한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 시스템 파rameter에서 커버리지 확률, 스펙트럼 효율성, SINR 통계에 대한 해석적 표현이 검증되었다.
• 시스템 성능은 포인팅 오차 심각도와 난류 조건에 매우 민감하며, 말라가 및 베크만 모델은 약한에서 강한 페이딩 영역까지 정확한 특성화를 제공한다.