[논문 리뷰] UxNB-Enabled Cell-Free Massive MIMO with HAPS-Assisted Sub-THz Backhauling

Omid Abbasi, Halim Yanıkömeroğlu|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 19.

Telecommunications and Broadcasting Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 간섭을 줄이고 고대역폭 백홀링을 지원하기 위해 UxNB 기반 셀리스 매크로 MIMO 시스템과 고고도 공중 플랫폼(HAPS) 기반 서브-THz 백홀 링크를 제안한다. HAPS를 중심 처리장치로 활용하고, 서브-THz 대역을 사용하여 고대역폭의 시야(LoS) 백홀 링크를 구축함으로써, 지상 및 공중 셀룰러 기반 대비 뛰어난 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a cell-free scheme for unmanned aerial vehicle (UAV) base stations (BSs) to manage the severe intercell interference between terrestrial users and UAV-BSs of neighboring cells. Since the cell-free scheme requires enormous bandwidth for backhauling, we propose to use the sub-terahertz (sub-THz) band for the backhaul links between UAV-BSs and central processing unit (CPU). Also, because the sub-THz band requires a reliable line-of-sight link, we propose to use a high altitude platform station (HAPS) as a CPU. At the first time-slot of the proposed scheme, users send their messages to UAVs at the sub-6 GHz band. The UAVs then apply match-filtering and power allocation. At the second time-slot, at each UAV, orthogonal resource blocks are allocated for each user at the sub-THz band, and the signals are sent to the HAPS after analog beamforming. In the HAPS receiver, after analog beamforming, the message of each user is decoded. We formulate an optimization problem that maximizes the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio of users by finding the optimum allocated power as well as the optimum locations of UAVs. Simulation results demonstrate the superiority of the proposed scheme compared with aerial cellular and terrestrial cell-free baseline schemes.

연구 동기 및 목표

• 무인 항공기(UAV) 기반 셀룰러 네트워크에서 심각한 이셀 간 간섭을 셀리스 매크로 MIMO 아키텍처를 통해 해결하기 위해.
• 광섬유 인프라가 없는 무인 항공기 기반 기지국(UxNB)을 위한 고대역폭 백홀링 과제를 해결하기 위해.
• 시야(LoS) 링크를 통해 서브-테라헤르츠(sub-THz) 주파수 대역을 이용해 신뢰성 있고 고대역폭의 백홀링을 가능하게 하기 위해.
• 전력 할당과 UAV 배치 위치를 공동 최적화하여 사용자 공정성과 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해.
• SINR 및 데이터 전송률 성능 측면에서 지상 셀리스 및 공중 셀룰러 기반 대비 제안된 방식의 우수성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 두 타임슬롯 전송 방식을 사용: 첫 번째로 사용자는 서브-6GHz 대역에서 UAV-BS로 업링크 전송; 두 번째로 UAV들은 서브-THz 대역에서 HAPS로 신호를 beamforming 전송.
• 백홀링 전에 사용자 신호를 사전 처리하기 위해 UAV에서 매칭 필터링과 전력 할당을 적용.
• UAV와 HAPS에서 아날로그 빔포밍을 활용하여 방향성 빔을 형성함으로써 서브-THz 대역에서 안정적인 시야(LoS) 링크를 확보.
• 약 20km 고도의 고고도 플랫폼 스테이션(HAPS)을 중심 처리장치(CPU)로 활용하여 차단을 방지하고 광범위한 커버리지 가능성을 확보.
• 직접 신호, 다중 간섭 유형(사용자 간섭, 노이즈, 재방출), HAPS 수신기 노이즈를 고려한 신호 대 간섭 + 노이즈비(SINR) 표현식 유도.
• 전력 할당과 UAV 위치를 최적화하여 최소 사용자 SINR을 극대화하는 공동 최적화 문제를 설정하였으며, 이 문제가 효율적인 해법을 위한 볼록 최적화 기법에 적합한 준볼록성(quasi-concave)임을 증명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속 이동성과 동적 네트워크 구조를 가지는 UAV 기반 네트워크에서 셀리스 매크로 MIMO 아키텍처가 이셀 간 간섭을 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 광섬유 백홀링이 불가능한 상황에서 서브-THz 백홀 링크가 셀리스 UxNB 시스템에 충분한 대역폭을 제공할 수 있는가?
• RQ3 대기 흡수와 경로 손실에도 불구하고 HAPS를 중심 처리장치로 활용할 경우 서브-THz 대역에서 안정적이고 고대역폭의 백홀링을 실현할 수 있는가?
• RQ4 UAV 위치와 전력 할당의 공동 최적화가 이러한 시스템의 사용자 공정성과 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 방식의 이행 가능한 전송률 성능은 지상 셀리스 및 공중 셀룰러 기반 대비 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 방식은 지상 셀리스 및 공중 셀룰러 기반 대비 최소 사용자 SINR에서 뚜렷한 향상을 달성한다.
• UAV 위치와 전력 할당의 공동 최적화로 모든 사용자 간 최소 사용자 전송률을 극대화함으로써 공정성이 향상된다.
• 시뮬레이션 결과는 HAPS 기반 서브-THz 백홀링이 낮은 지연과 고속 데이터 전송을 지원함으로써 재난 복구 또는 고속 이동 환경에서의 확장 가능한 구현 가능성을 입증한다.
• 유도된 SINR 표현식은 서브-THz 대역에서 직접 신호, 노이즈, 재방출 효과 등 간섭을 정확하게 모델링한다.
• 최적화 문제가 준볼록성임을 증명하여 볼록 최적화 기법을 통해 효율적인 해법 도출이 가능하다.
• UAV와 HAPS 간 안정적인 시야(LoS) 링크 덕분에 시스템은 더 높은 스펙트럼 효율성과 그림자 효과 및 차단에 대한 강건성을 확보한다.