A Preliminary Assessment of Midhaul Links at 140 GHz using Ray-Tracing

기술 요약: 140 GHz 레이 트레이싱을 활용한 미드홀 링크에 대한 예비 평가

문제 제기
5G 뉴 라디오 (5G-NR) 에 의해 주도되는 모바일 데이터 트래픽의 기하급수적 성장과 6G 네트워크에 대한 예상 수요는 운송 네트워크에 극한의 용량 요구사항을 부과합니다. 이를 해결하기 위해 제 3 세대 파트너십 프로젝트 (3GPP) 는 기지국 (gNB) 을 중앙 단위 (CU), 분산 단위 (DU), 원격 단위 (RU) 로 분리하는 기능적 분할을 제안했습니다. 이 아키텍처는 처리를 중앙 집중화하지만, CU 와 DU 간에 고용량 미드홀 링크가 필요하게 만듭니다. 밀집된 도시 환경에서 이러한 링크를 위한 광섬유를 배포하는 것은 비용이 많이 듭니다. 테라헤르츠 (THz) 통신 (특히 100 GHz 이상) 은 멀티 Gbps 속도에 필요한 대역폭과 안테나 밀도를 제공하지만, 도시 환경에서 CU-DU 미드홀 링크에 140 GHz 를 구체적으로 사용하는 타당성은 아직 완전히 탐구되지 않았습니다. 다루는 핵심 문제는 140 GHz 무선 기술을 활용하여 특정 링크당 피크 데이터 속도를 보장하면서 도시 환경에서 일련의 DU 를 서비스하는 데 필요한 최소 CU 수를 결정하는 것입니다.

방법론
저자들은 500 × 500 평방 미터 규모의 도시 지역 (버지니아주 로슬린) 에서 140 GHz 미드홀 링크를 평가하기 위한 시스템 모델 및 최적화 프레임워크를 제안합니다.

1. 시스템 모델: 시나리오는 $C$개의 CU 와 $D$개의 DU 를 포함합니다. 각 CU 와 DU 는 여러 개의 안테나 요소 ($N$개와 $M$개, 여기서 $M \le N$) 를 장착합니다. 노드 간의 경로는 수신 전력, 출발 각도 (AoD), 도착 각도 (AoA), 지연 확산, 위상 회전에 의해 특징지어집니다.
2. 최적화 공식화: 목표는 모든 DU 를 서비스하는 데 필요한 CU 의 부분집합 ($C'$) 을 최소화하면서 각 CU-DU 링크가 피크 속도 $R$(목표치 10 Gbps) 을 지원하도록 보장하는 것입니다. 이는 용량 및 연관 제약 조건을 준수하면서 CU 선택과 CU-DU 연관을 결정하는 변수를 포함하는 이진 최적화 문제로 공식화됩니다.
3. 알고리즘적 접근: CU 를 선택하고 DU 를 연관시키기 위해 탐욕 알고리즘 (알고리즘 1) 이 사용됩니다. 이 알고리즘은 연관되지 않은 DU 에 대한 시선 (LOS) 경로를 최대화하는 CU 를 반복적으로 선택합니다. CU 의 부분집합이 선택되면, DU 는 가장 높은 수신 신호 세기에 따라 연관됩니다.
4. 빔포밍 및 채널 추정:
   • 빔포밍: DU 는 가장 강한 경로에 맞춰 어레이를 정렬합니다. 여러 DU 를 서비스하는 CU 는 연결된 DU 들의 방향을 평균화하여 보어사이트를 근사합니다.
   • 채널 모델링: 채널 행렬 $H$는 레이 트레이싱 데이터에서 유도된 다중 경로 성분의 선형 결합으로 계산됩니다.
   • 용량 계산: 시스템은 공간 분할 다중 접속 (SDMA) 과 다운링크 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO) 를 활용합니다. 최적의 SINR 최대화의 복잡성 없이 간섭을 관리하기 위해 저자들은 신호 대 누설 plus 잡음 비율 (SLNR) 프리코딩을 사용합니다. 달성 가능한 속도는 대역폭, SINR, 손실 계수, 그리고 최대 스펙트럼 효율 가정 기반으로 계산됩니다.
5. 시뮬레이션 설정: 3D 도시 환경에서 채널 파라미터 (경로 이득, 지연, 각도) 를 포착하기 위해 Remcomm Wireless Insite 도구를 사용하여 X3D 전파 모델로 레이 트레이싱 시뮬레이션이 수행되었습니다. 이러한 파라미터는 MIMO 채널 행렬 생성 및 용량 분석을 위해 MATLAB 으로 내보내졌습니다.

주요 기여

• 타당성 연구: 이 논문은 3GPP 기능적 분할 (특히 고층 분할, 옵션 2) 이 적용된 분산형 5G 아키텍처에서 CU 와 DU 간의 140 GHz 무선 미드홀 링크에 대한 예비 평가를 제공하며, 이는 이전 문헌에서 완전히 탐구되지 않은 구체적인 사용 사례입니다.
• 최적화 프레임워크: 탐욕적 선택 정책과 SLNR 기반 프리코딩을 활용하여 목표 데이터 속도를 보장하면서 필요한 CU 수를 최소화하는 방법을 정의합니다.
• 개념 통합: 이 작업은 운송 네트워크 용량 문제를 해결하기 위해 3GPP 기능적 분할 (특히 고층 분할, 옵션 2) 의 개념과 THz 통신을 통합합니다.
• 시뮬레이션 결과: 적절한 빔포밍 및 MU-MIMO 기술과 함께 소수의 CU 가 140 GHz 에서 밀집된 DU 클러스터를 효과적으로 서비스할 수 있음을 입증합니다.

결과
500 × 500 평방 미터 영역에서 8 개의 잠재적 CU 와 36 개의 DU 를 사용한 시뮬레이션 설정을 사용하여:

• CU 수: 단일 CU 나 두 개의 CU 는 모든 링크에서 10 Gbps 피크 속도 요구사항을 충족하기에 부족했습니다. 그러나 활성 CU 수를 3개로 늘리면 모든 36 개의 DU 를 필요한 피크 속도로 서비스할 수 있었습니다.
• 성능 지표: 양단에 16×16 안테나 어레이를 갖춘 3 개의 CU 를 사용하면 모든 링크가 최소 19.5 dB 의 신호 대 간섭 plus 잡음 비율 (SINR) 을 달성하여 목표인 10 Gbps 속도에 해당했습니다.
• 안테나 구성: 더 큰 안테나 어레이 (16×16) 가 더 작은 구성 (예: 8×8) 에 비해 피크 속도 제약을 만족하는 링크 수를 크게 증가시키는 것으로 관찰되었습니다.
• 전력 할당: 결과는 연결된 DU 간에 동등한 전송 전력 할당을 가정하여 달성되었습니다.

의의 및 주장
이 논문은 3GPP 기능적 분할 (특히 옵션 2) 과 결합된 140 GHz 무선 미드홀 링크가 밀집된 도시 환경의 운송 네트워크에 유망한 기술임을 결론짓습니다. 저자들은 THz 주파수를 사용하여 최소한의 CU 로 여러 DU 를 서비스하는 것이 가능함을 보여주는 결과가 있다고 주장합니다. 이 작업을 예비 평가로 위치시키면서, 현재 결과는 유망하지만 향후 작업은 CU 선택과 전력 할당의 공동 최적화, 더 정교한 빔포밍 기술, 그리고 스펙트럼 효율 및 데이터 속도를 더욱 개선하기 위한 클러스터링 알고리즘을 탐구할 것이라고 명시합니다. 이 논문은 THz 배포의 모든 과제를 해결했다고 주장하지는 않지만, 특정 CU-DU 미드홀 시나리오에 대한 기초적인 개념 증명 (proof-of-concept) 을 확립합니다.