HAPS-Complemented Terrestrial Networks

Résumé Technique : Réseaux Terrestres Complétés par une HAPS pour l'Amélioration de la Capacité en Bordure de Cellule

Énoncé du Problème
Dans les systèmes MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) descendants multizones en milieu urbain, les équipements utilisateurs (UE) en bordure de cellule souffrent de débits de données nettement inférieurs à ceux des UE proches du centre. Cette dégradation des performances est causée par un masquage sévère, une perte de propagation élevée et des interférences intercellulaires (ICI). Bien que des solutions terrestres telles que la coordination des stations de base (BS), le contrôle de la puissance et le MIMO sans cellule existent, elles peinent souvent dans des conditions de non-visibilité directe (NLoS) et de blocages importants, fréquents dans les environaux urbains denses. L'article traite du défi consistant à améliorer la capacité de ces UE de bordure en intégrant une station de plateforme à haute altitude (HAPS) dans le réseau terrestre pour agir comme un relais.

Modèle de Système et Méthodologie
Le système proposé se compose de $B$ cellules terrestres, chacune servie par une BS multi-antennes opérant en mode semi-duplex. Une HAPS en duplex intégral (FD), positionnée à une altitude de 22 km avec des réseaux d'antennes d'émission et de réception distincts, couvre l'ensemble des cellules. La HAPS exploite la grande séparation physique entre ses antennes d'émission et de réception pour parvenir à une suppression passive de l'auto-interférence (SI), lui permettant ainsi de fonctionner en mode duplex intégral.

Le protocole de communication fonctionne comme suit :

1. Liaison Montante vers la HAPS : Les BS terrestres transfèrent les données destinées aux UE de bordure vers la HAPS FD. Les BS utilisent le formage de faisceaux hybride (combinant les précodeurs RF et de bande de base) et l'accès multiple non orthogonal (NOMA) pour servir simultanément les UE proches et de bordure.
2. Relais HAPS : La HAPS FD reçoit les signaux de toutes les BS, applique une combinaison hybride et utilise l'annulation successive d'interférences (SIC) pour décoder les flux de données des UE de bordure.
3. Liaison Descendante vers les UE : La HHS retransmet les données décodées des UE de bordure vers les UE cibles via des liaisons en visibilité directe (LoS), qui sont moins sensibles au masquage urbain que les liaisons terrestres. Les UE proches reçoivent les signaux directement de leur BS de service et de la HAPS, appliquant la SIC pour décoder leurs propres données après avoir éliminé l'interférence des UE de bordure.

Optimisation et Algorithme
La contribution technique centrale est la formulation d'un problème d'optimisation conjoint visant à maximiser le débit cumulé du système. Les variables d'optimisation incluent les précodeurs hybrides aux BS ($F_{RF}, F_{BB}$), les précodeurs hybrides à la HAPS ($G_{RF}, G_{BB}$) et les combineurs hybrides à la HAPS ($W_{RF}, W_{BB}$). Le problème est soumis à :

• Des contraintes de puissance de transmission totale pour les BS et la HAPS.
• Des contraintes de débit de qualité de service (QoS) minimale pour les UE de bordure.
• Des contraintes de module constant sur les précodeurs/combineurs RF.

Le problème d'optimisation résultant est non convexe en raison de la fonction objectif et des contraintes. Pour le résoudre, les auteurs proposent un algorithme centralisé basé sur l'approximation convexe successive (SCA) et l'optimisation alternée (AO) :

1. Simplification de la conception RF : Les précodeurs et combineurs RF sont initialement conçus en utilisant la phase du canal conjugué (pour les UE proches) ou les vecteurs directeurs (pour les UE de bordure) afin de simplifier le problème.
2. Transformation Équivalente : Des variables d'écart sont introduites pour transformer les contraintes de débit non convexes en une forme adaptée à l'optimisation convexe.
3. Solution Itérative : Le problème est décomposé en deux sous-problèmes : l'optimisation des précodeurs de bande de base ($F_{BB}, G_{BB}$) et du combineur de bande de base ($W_{BB}$). Les contraintes non convexes impliquant des termes de rapport signal sur interférence plus bruit (SINR) sont approximées par des développements de Taylor au premier ordre.
4. Convergence : L'algorithme alterne entre la résolution de ces sous-problèmes (formulés comme des programmes de conicité de second ordre, SOCP) jusqu'à convergence vers une solution stationnaire.

Résultats Clés
Des simulations numériques ont été menées dans un environnement urbain avec des gratte-ciel causant un masquage important, comparant le schéma proposé (Schéma-1) à deux références : un réseau terrestre coordonné sans HAPS (Schéma-2) et un réseau terrestre non coordonné (Schéma-3).

• Performance des UE de bordure : Le schéma assisté par HAPS proposé surpasse significativement les bases terrestres uniquement. Plus précisément, le débit cumulé des UE de bordure est presque doublé par rapport au schéma terrestre coordonné (Schéma-2). Ce gain est attribué au fait que la HAPS fournit des liaisons LoS qui contournent le masquage et la perte de propagation terrestres.
• Débit Global du Système : Le débit total du système augmente à mesure que le rayon de la cellule terrestre croît. Cela s'explique par le fait que des rayons de cellule plus larges réduisent l'interférence que la HAPS cause aux UE proches.
• Robustesse : Le débit cumulé des UE de bordure reste relativement stable à travers les variations de rayon de cellule, car l'interférence mutuelle entre les UE de bordure est largement indépendante de la taille de la cellule.

Signification et Revendications
L'article affirme être le premier travail spécifiquement destiné à améliorer la capacité des UE de bordure de cellule dans les zones urbaines en utilisant une HAPS comme relais au sein d'un réseau terrestre. Les auteurs soulignent que si la HAPS a été étudiée pour les zones reculées et les communications par satellite, son intégration pour atténuer l'ICI et le masquage urbains est une application novatrice. L'étude démontre que l'intégration de la HAPS aux réseaux terrestres, en utilisant le relais duplex intégral et le formage de faisceaux hybride, offre une voie viable pour améliorer la connectivité des utilisateurs les plus vulnérables dans les réseaux sans fil de prochaine génération (au-delà de la 5G/6G), s'alignant sur les visions des Releases 17 et 19 du 3GPP pour l'intégration des réseaux non terrestres (NTN). L'algorithme proposé fournit une méthode de calcul efficace pour atteindre ces gains sous des contraintes réalistes de puissance et de QoS.