[논문 리뷰] Wireless Backhaul Node Placement for Small Cell Networks

Muhammad Nazmul Islam, Ashwin Sampath외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 10.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 소형셀 네트워크에서 비용 효율적인 무선 백홀을 위해 옥상에 집계 노드를 전략적으로 배치하여 sub-6 GHz (NLOS), 마이크로파 (LOS), 밀리미터파 대역을 활용하는 통합 최적화 프레임워크를 제안한다. 혼합정수비선형계획법(MINLP)을 사용하고 선형화 및 분기결합 기법을 적용하여 노드 위치, 전력 제어, 채널 스케줄링, 라우팅을 최적화하며, 마이크로파 환경에서는 0%의 최적성 갭을 달성하고 sub-6 GHz 구현에서는 비가능한 링크를 식별한다.

ABSTRACT

Small cells have been proposed as a vehicle for wireless networks to keep up with surging demand. Small cells come with a significant challenge of providing backhaul to transport data to(from) a gateway node in the core network. Fiber based backhaul offers the high rates needed to meet this requirement, but is costly and time-consuming to deploy, when not readily available. Wireless backhaul is an attractive option for small cells as it provides a less expensive and easy-to-deploy alternative to fiber. However, there are multitude of bands and features (e.g. LOS/NLOS, spatial multiplexing etc.) associated with wireless backhaul that need to be used intelligently for small cells. Candidate bands include: sub-6 GHz band that is useful in non-line-of-sight (NLOS) scenarios, microwave band (6-42 GHz) that is useful in point-to-point line-of-sight (LOS) scenarios, and millimeter wave bands (e.g. 60, 70 and 80 GHz) that are recently being commercially used in LOS scenarios. In many deployment topologies, it is advantageous to use aggregator nodes, located at the roof tops of tall buildings near small cells. These nodes can provide high data rate to multiple small cells in NLOS paths, sustain the same data rate to gateway nodes using LOS paths and take advantage of all available bands. This work performs the joint cost optimal aggregator node placement, power allocation, channel scheduling and routing to optimize the wireless backhaul network. We formulate mixed integer nonlinear programs (MINLP) to capture the different interference and multiplexing patterns at sub-6 GHz and microwave band. We solve the MINLP through linear relaxation and branch-and-bound algorithm and apply our algorithm in an example wireless backhaul network of downtown Manhattan.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 소형셀 네트워크에서의 펌웨어 백홀 배치 비용과 물류적 과제를 해결한다.
• 다양한 전파 특성을 지닌 여러 대역(서브-6 GHz, 마이크로파, mmWave)을 활용하여 비용 효율적이고 고대역폭 무선 백홀을 가능하게 한다.
• 비용 최소화를 위해 집계 노드 위치, 전력 할당, 채널 스케줄링, 데이터 라우팅을 통합 최적화하는 프레임워크를 개발한다.
• 도심 환경(맨해튼 다운타운 등)에서 실제 전파 모델과 간섭 제약 조건 하에 네트워크 연결성 및 QoS를 확보한다.
• 실제 링크 수준 파arameter를 사용하여 다양한 대역에서 스펙트럼 효율성, 간섭, 배치 비용 간의 상호 교환 관계를 평가한다.

제안 방법

• 무선 백홀 네트워크에서 집계 노드 위치, 전력 할당, 채널 스케줄링, 라우팅을 통합 최적화하기 위해 혼합정수비선형계획법(MINLP)을 수립한다.
• MINLP를 해석 가능하게 하기 위해 선형화 및 분기결합 기법을 적용하여 혼합정수선형계획법(MILP)으로 변환한다.
• 5.8 GHz(서브-6 GHz), 28 GHz(마이크로파), 60 GHz(밀리미터파) 대역에서 링크 이득을 추정하기 위해 레이트레이싱 기반 경로 손실 모델을 사용하며, 실제 전파 효과를 반영한다.
• 표 III의 측정 데이터에서 유래한 실용적 백홀 기능(안테나 이득, 송신 전력, 페이딩 마진, 채널 대역폭)을 통합한다.
• 프rotocol 기반 모델에 기반한 간섭 제약 조건을 적용하며, 간섭이 노이즈 임계값 이하일 경우 비접촉 링크가 스펙트럼을 공유할 수 있도록 가정한다.
• 간섭 분석을 통해 비접촉 마이크로파 링크가 노이즈 수준 이하 최대 19 dB의 간섭을 유발함을 확인하여, 간섭 없는 스펙트럼 재사용 가정이 타당함을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형셀 백홀 네트워크에서 엔드 투 엔드 연결성을 확보하면서 운영 비용을 최소화하기 위해 집계 노드 위치를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 서브-6 GHz, 마이크로파, mmWave와 같은 다양한 대역이 도심 소형셀 구현에서 백홀 대역폭, 간섭, 배치 비용에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 서브-6 GHz 환경에서 공간 다중접속(SDMA) 및 채널 스케줄링은 필요한 집계 노드 수와 네트워크 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 간섭 모델링 및 스펙트럼 재사용을 통해 스펙트럼 효율성을 얼마나 향상시킬 수 있으며, 이는 QoS를 저하시키지 않는 범위에서 가능한가?
• RQ5 실제 도심 백홀 환경에서 대규모 MINLP 문제를 해결할 때 최적성 정확도와 수렴 시간 간의 계산적 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 마이크로파 대역(엣지-집계 노드 간 28 GHz, 집계 노드-게이트웨이 간 60 GHz)에서는 0%의 최적성 갭을 달성하여 두 개의 선택된 집계 노드로 근사 최적 해 수렴을 보였다.
• 서브-6 GHz 환경(엣지-집계 노드 간 5.8 GHz)에서는 이진 스케줄링 및 위치 변수로 인해 더 높은 복잡도로 인해 40%의 최적성 갭을 기록하여 수렴 속도가 느림을 시사한다.
• 서브-6 GHz 환경에서 한 개의 엣지 노드가 어떤 집계 또는 게이트웨이 노드와도 충분한 링크 이득을 확보하지 못해 비가능한 것으로 확인되어 NLOS 환경에서의 전파 제약을 드러냈다.
• 서브-6 GHz 케이스에서 다섯 개의 배치된 집계 노드를 통해 모든 가능한 엣지 노드에서 100 Mbps 수요를 성공적으로 지원하여 비용 트레이드오프를 감안한 확장성을 입증했다.
• 간섭 분석을 통해 비접촉 마이크로파 링크가 노이즈 수준 이하 최대 19 dB의 간섭을 유발함을 확인하여, 최적화 모델의 간섭 없는 스펙트럼 재사용 가정이 타당함을 검증했다.
• 제안된 프레임워크는 옥상 집계 노드를 통한 NLOS 다중접근을 위한 서브-6 GHz와 LOS 경로를 위한 고대역폭 mmWave 및 마이크로파 링크를 조합함으로써 비용 효율적인 구현을 가능하게 한다.