[论文解读] FSO-based Vertical Backhaul/Fronthaul Framework for 5G+ Wireless Networks

Mohamed Alzenad, Muhammad Zeeshan Shakir+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Optical Wireless Communication Technologies被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于自由空间光通信（FSO）的垂直回传/前回传框架，利用网络化飞行平台（NFPs），如无人机和高空平台，通过自由空间光链路将小基站连接至核心网络。仿真结果表明，在有利天气条件下，该方案可实现多吉比特每秒的数据速率，尽管面临大气衰减和系统成本等挑战，仍为超密集的5G+网络提供了一种可扩展、高容量的解决方案。

ABSTRACT

The presence of a super high rate, but also cost-efficient, easy-to-deploy, and scalable, backhaul/fronthaul framework is essential in the upcoming fifth-generation (5G) wireless networks \\& beyond. Motivated by the mounting interest in the unmanned flying platforms of various types including unmanned aerial vehicles (UAVs), drones, balloons, and high-altitude/medium-altitude/low-altitude platforms (HAPs/MAPs/LAPs), which we refer to as the networked flying platforms (NFPs), for providing communications services and the recent advances in free-space optics (FSO), this article investigates the feasibility of a novel vertical backhaul/fronthaul framework where the NFPs transport the backhaul/fronthaul traffic between the access and core networks via point-to-point FSO links. The performance of the proposed innovative approach is investigated under different weather conditions and a broad range of system parameters. Simulation results demonstrate that the FSO-based vertical backhaul/fronthaul framework can offer data rates higher than the baseline alternatives, and thus can be considered as a promising solution to the emerging backhaul/fronthaul requirements of the 5G+ wireless networks, particularly in the presence of ultra-dense heterogeneous small cells. The paper also presents the challenges that accompany such a novel framework and provides some key ideas towards overcoming these challenges.

研究动机与目标

• 为解决5G+无线系统中超密集异构小基站网络的高部署和回传成本问题。
• 探索利用网络化飞行平台（NFPs）作为移动回传/前回传节点，将小基站连接至核心网络的可行性。
• 评估自由空间光学（FSO）在NFP与地面小基站之间实现高速率、视距通信的性能。
• 识别基于NFP的回传/前回传系统所面临的关键技术和运营挑战，如天气引起的链路衰落、有效载荷限制和安全问题。
• 评估FSO和NFP技术在5G+回传解决方案中的经济可行性及未来成本降低潜力。

提出的方法

• 该框架采用NFP与小基站基站（SBSs）之间的点对点自由空间光（FSO）链路，实现高速率、免许可的通信。
• NFP，包括无人机、气球以及高/中/低空平台，作为移动中继节点，建立垂直回传/前回传链路。
• 通过链路预算分析，建模在不同大气条件（包括雾和云）下的路径损耗、发射功率和接收灵敏度。
• 系统模型综合考虑了NFP有效载荷容量和回传链路容量的限制，从而限制每个NFP可服务的小基站数量。
• 通过系统级仿真评估性能，计算在不同天气条件和链路参数下的可实现数据速率。
• 与传统陆地回传解决方案相比，从数据速率、部署成本和可扩展性等方面评估该框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于FSO的NFP垂直回传/前回传能否实现超密集5G+小基站部署所需的数据速率？
• RQ2 雾和云等大气条件如何影响所提框架中FSO链路的可靠性和数据速率？
• RQ3 FSO链路的光束发散角对链路性能和可实现数据速率有何影响？
• RQ4 NFP上有效载荷和回传容量的限制如何限制每个平台可服务的小基站数量？
• RQ5 在实际部署中，必须解决的关键技术和监管挑战（如安全、隐私和空域交通管制）有哪些？

主要发现

• 在晴朗天气和中等大气条件下，基于FSO的垂直回传/前回传框架可实现多吉比特每秒的数据速率，展现出高容量潜力。
• 在浓雾条件下，路径损耗显著增加，导致深度衰落和数据速率下降，表明天气是性能的关键限制因素。
• 减小FSO光束的发散角可提升链路性能，并在恶劣条件下仍能实现超过1 Gbps的数据速率。
• 尽管与陆地解决方案相比总拥有成本（TCO）较高，但该系统的成本预计会因技术成熟度和规模经济效应而更快下降。
• 该系统在超密集城市部署中最为有效，当对地面汇聚点的视距被遮挡时，可作为传统回传的可行替代方案。
• 安全和隐私风险（如NFP被劫持、未经授权的数据收集）被识别为重大运管关切，需建立稳健的控制和监管机制。