HAPS-Complemented Terrestrial Networks

Resumen Técnico: Redes Terrestres Complementadas por HAPS para la Mejora de la Capacidad en el Borde de Celda

Planteamiento del Problema
En los sistemas de enlace descendente (downlink) MIMO multicelulares urbanos, los equipos de usuario (UE) en el borde de la celda sufren tasas de datos significativamente menores en comparación con los UE cercanos. Esta degradación del rendimiento es impulsada por un sombreado severo, alta pérdida de trayectoria e interferencia intercelular (ICI). Aunque las soluciones terrestres, tales como la coordinación de estaciones base (BS), el control de potencia y el MIMO libre de celdas (cell-free MIMO), existen, a menudo presentan dificultades bajo condiciones de no línea de vista (NLoS) y bloqueos intensos comunes en entornos urbanos densos. El artículo aborda el desafío de mejorar la capacidad de estos UE de borde integrando una Estación de Plataforma de Gran Altitud (HAPS) en la red terrestre para actuar como relé.

Modelo del Sistema y Metodología
El sistema propuesto consta de $B$ celdas terrestres, cada una servida por una BS multiantena que opera en modo half-duplex, la cual es cubierta por un HAPS de dúplex completo (FD), posicionado a una altitud de 22 km con arreglos de antenas de transmisión y recepción separados. El HAPS aprovecha su gran separación física entre las antenas de transmisión y recepción para lograr la supresión pasiva de la autointerferencia (SI), permitiéndole operar en modo dúplex completo.

El protocolo de comunicación opera de la siguiente manera:

1. Enlace ascendente (Uplink) al HAPS: Las BS terrestres reenvían los datos destinados a los UE de borde al FD-HAPS. Las BS emplean formación de haces híbrida (combinando precodificadores de RF y de banda base) y Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) para servir simultáneamente tanto a los UE cercanos como a los de borde.
2. Relé del HAPS: El FD-HAPS recibe las señales de todas las BS, aplica combinación híbrida y utiliza la Cancelación de Interferencia Sucesiva (SIC) para decodificar las corrientes de datos de los UE de borde.
3. Enlace descendente (Downlink) a los UE: El HAPS retransmite los datos decodificados de los UE de borde a los UE destinados a través de enlaces de línea de vista (LoS), los cuales son menos susceptibles al sombreado urbano que los enlaces terrestres. Los UE cercanos reciben las señales directamente de su BS servidora y del HAPS, aplicando SIC para decodificar sus propios datos tras eliminar la interferencia de los UE de borde.

Optimización y Algoritmo
La contribución técnica central es la formulación de un problema de optimización conjunta para maximizar la tasa de suma alcanzable del sistema. Las variables de optimización incluyen los precodificadores híbridos en las BS ($F_{RF}, F_{BB}$), los precodificadores híbridos en el HAPS ($G_{RF}, G_{BB}$) y los combinadores híbridos en el HAPS ($W_{RF}, W_{BB}$). El problema está sujeto a:

• Restricciones de potencia de transmisión total tanto para las BS como para el HAPS.
• Restricciones de tasa mínima de Calidad de Servicio (QoS) para los UE de borde.
• Restricciones de módulo constante en los precodificadores/combinadores de RF.

El problema de optimización resultante es no convexo debido a la función objetivo y a las restricciones. Para resolverlo, los autores proponen un algoritmo centralizado basado en la Aproximación Convexa Sucesiva (SCA) y la Optimización Alternante (AO):

1. Simplificación del Diseño de RF: Los precodificadores de RF y los combinadores se diseñan inicialmente utilizando la fase del canal conjugada (para UE cercanos) o vectores de dirección (para UE de borde) para simplificar el problema.
2. Transformación Equivalente: Se introducen variables de holgura para transformar las restricciones de tasa no convexas en una forma adecuada para la optimización convexa.
3. Solución Iterativa: El problema se descompone en dos subproblemas: la optimización de los precodificadores de banda base ($F_{BB}, G_{BB}$) y el combinador de banda base ($W_{BB}$). Las restricciones no convexas que involucran términos de relación señal a interferencia más ruido (SINR) se aproximan mediante expansiones de Taylor de primer orden.
4. Convergencia: El algoritmo alterna la resolución de estos subproblemas (formulados como Programas de Cono de Segundo Orden o SOCP) hasta la convergencia hacia una solución estacionaria.

Resultados Clave
Se realizaron simulaciones numéricas en un entorno urbano con rascacielos que causan un sombreado pesado, comparando el esquema propuesto (Esquema-1) contra dos referentes (benchmarks): una red terrestre coordinada sin HAPS (Esquema-2) y una red terrestre no coordinada (Esquema-3).

• Desempeño de los UE de Borde: El esquema asistido por HAPS propuesto supera significativamente a los referentes puramente terrestres. Específicamente, la tasa de suma de los UE de borde de borde casi se duplica en comparación con el esquema terrestre coordinado (Esquema-2). Este aumento se atribuye a que el HAPS proporciona enlaces LoS que evaden el sombreado terrestre y la pérdida de trayectoria.
• Tasa de Suma del Sistema: La tasa de suma total del sistema aumenta a medida que crece el radio de la celda terrestre. Esto se debe a que radios de celda más grandes reducen la interferencia que el HAPS causa a los UE cercanos.
• Robustez: La tasa de suma de los UE de borde permanece relativamente estable a través de variaciones en el radio de la celda, ya que la interferencia mutua entre los UE de borde es ampliamente independiente del tamaño de la celda.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma ser el primer trabajo orientado específicamente a mejorar la capacidad de los UE de borde de celda en áreas urbanas utilizando HAPS como relé dentro de una red terrestre. Los autores enfatizan que, si bien el HAPS ha sido estudiado para áreas remotas y comunicaciones satelitales, su integración para mitigar la ICI urbana y el sombreado es una aplicación novedosa. El estudio demuestra que la integración de HAPS con redes terrestres, utilizando relé de dúplex completo y formación de haces híbrida, ofrece una vía viable para mejorar la conectividad para los usuarios más vulnerables en las redes de próxima generación (más allá de 5G/6G), alineándose con las visiones de las Versiones 17 y 19 de 3GPP para la integración de Redes No Terrestres (NTN). El algoritmo propuesto proporciona un método computacionalmente eficiente para lograr estas ganancias bajo restricciones realistas de potencia y QoS.