[论文解读] UxNB-Enabled Cell-Free Massive MIMO with HAPS-Assisted Sub-THz Backhauling

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

Telecommunications and Broadcasting Technologies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于UxNB的无蜂窝大规模MIMO系统，结合高空气球平台（HAPS）辅助的亚太赫兹（sub-THz）回传技术，以缓解小区间干扰并支持高容量回传。通过利用HAPS作为中心处理器，并采用亚太赫兹频段实现高带宽、视 Line-of-Sight（LoS）回传链路，该方案在频谱效率和用户公平性方面优于地面和空中蜂窝基准系统。

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.

研究动机与目标

• 为解决基于无人机（UAV）的蜂窝网络中严重的小区间干扰问题，提出一种无蜂窝大规模MIMO架构。
• 解决无光纤基础设施的无人机高空基站（UxNB）的高容量回传挑战。
• 通过使用亚太赫兹（sub-THz）频段并采用视 Line-of-Sight（LoS）链路，实现可靠、高带宽的回传。
• 通过联合优化功率分配与无人机部署位置，提升用户公平性与频谱效率。
• 在SINR与速率性能方面，证明所提方案优于地面无蜂窝与空中蜂窝基准系统。

提出的方法

• 采用双时隙传输方案：首先，用户在 sub-6 GHz 频段向无人机基站（UAV-BSs）上行传输；其次，无人机在亚太赫兹频段波束成形信号至HAPS。
• 在无人机上应用匹配滤波与功率分配，对用户信号进行预处理后再进行回传。
• 在无人机与HAPS上采用模拟波束成形，形成定向波束，确保亚太赫兹频段中可靠LoS链路。
• 在约20 km高度部署高空平台站（HAPS）作为中心处理单元（CPU），避免遮挡并实现广覆盖。
• 推导了考虑直达信号、多种干扰类型（用户、噪声、重辐射）、以及HAPS接收机噪声的信干噪比（SINR）表达式。
• 构建联合优化问题，通过优化功率分配与无人机位置以最大化最小用户SINR，证明该问题为拟凹性，可高效求解。

实验结果

研究问题

• RQ1 无蜂窝大规模MIMO架构能否有效缓解高移动性与动态拓扑的无人机网络中的小区间干扰？
• RQ2 当缺乏光纤回传时，亚太赫兹回传链路能否为无蜂窝UxNB系统提供足够的容量？
• RQ3 尽管存在大气吸收与路径损耗，使用HAPS作为中心处理器是否能实现在亚太赫兹频段中的可靠、高容量回传？
• RQ4 在该系统中，无人机部署与功率分配的联合优化如何影响用户公平性与频谱效率？
• RQ5 与地面无蜂窝和空中蜂窝基准系统相比，所提方案的可实现速率性能如何？

主要发现

• 所提方案在最小用户SINR方面相比地面无蜂窝与空中蜂窝基准系统有显著提升。
• 通过联合优化无人机位置与功率分配，系统通过最大化所有用户中的最小用户速率，显著提升了用户公平性。
• 仿真结果表明，HAPS辅助的亚太赫兹回传能够支持高数据速率与低延迟，适用于灾难恢复或高移动性场景的可扩展部署。
• 推导出的SINR表达式能准确建模亚太赫兹频段中直达信号、噪声及重辐射效应引起的干扰。
• 优化问题被证明为拟凹性，可通过凸优化技术高效求解。
• 由于HAPS到无人机之间具有稳定的LoS链路，系统实现了更高的频谱效率，并对阴影与遮挡具有更强鲁棒性。