HAPS-Complemented Terrestrial Networks

Resumo Técnico: Redes Terrestres Complementadas por HAPS para Melhoria da Capacidade de Borda de Célula

Definição do Problema
Em sistemas descendentes (downlink) MIMO multicelulares urbanos, os equipamentos de usuário (UEs) na borda da célula sofrem uma degradação significativa nas taxas de dados em comparação com os UEs próximos à célula. Essa degradação de desempenho é impulsionada por sombreamento severo, alta perda de percurso e interferência intercelular (ICI). Embora soluções terrestres, como coordenação de estações base (BS), controle de potência e MIMO livre de células (cell-free) existam, elas frequentemente enfrentam dificuldades sob condições de não-linha de visada (NLoS) e bloqueios intensos, comuns em ambientes urbanos densos. O artigo aborda o desafio de melhorar a capacidade desses UEs de borda integrando uma Estação de Plataforma de Alta Altitude (HAPS) à rede terrestre para atuar como um repetidor.

Modelo de Sistema e Metodologia
O sistema proposto consiste em $B$ células terrestres, cada uma servida por uma BS multiantena operando em modo half-duplex. Uma HAPS full-duplex (FD), posicionada a uma altitude de 22 km com matrizes de antenas de transmissão e recepção separadas, cobre todas as células. A HAPS explora sua grande separação física entre as antenas de transmissão e recepção para alcançar a supressão passiva de autointerferência (SI), permitindo que opere em modo full-duplex.

O protocolo de comunicação opera da seguinte forma:

1. Uplink para a HAPS: As BSs terrestres encaminham os dados destinados aos UEs de borda para a FD-HAPS. As BSs empregam beamforming híbrido (combinando precodificadores de RF e de banda base) e Acesso Múltiplo Não Ortogonal (NOMA) para servir simultaneamente tanto UEs próximos quanto de borda.
2. Relé HAPS: A FD-HAPS recebe os sinais de todas as BSs, aplica combinação híbrida e utiliza Cancelamento de Interferência Sucessiva (SIC) para decodificar os fluxos de dados dos Ués de borda.
3. Downlink para os UEs: A HAPS retransmite os dados decodificados dos UEs de borda para os UEs pretendidos via links de linha de visada (LoS), que são menos suscetíveis ao sombreamento urbano do que os links terrestres. Os UEs próximos recebem sinais diretamente de sua BS de serviço e da HAPS, aplicando SIC para decodificar seus próprios dados após remover a interferência do UE de borda.

Otimização e Algoritmo
A principal contribuição técnica é a formulação de um problema de otimização conjunta para maximizar a taxa de soma alcançável do sistema. As variáveis de otimização incluem os precodificadores híbridos nas BSs ($F_{RF}, F_{BB}$), os precodificadores híbridos na HAPS ($G_{RF}, G_{BB}$) e os combinadores híbridos na HAPS ($W_{RF}, W_{BB}$). O problema está sujeito a:

• Restrições de potência total de transmissão tanto para as BSs quanto para a HAPS.
• Restrições de taxa mínima de Qualidade de Serviço (QoS) para os UEs de borda.
• Restrições de módulo constante nos precodificadores/combinadores de RF.

O problema de otimização resultante é não convexo devido à função objetivo e às restrições. Para resolvê-lo, os autores propõem um algoritmo centralizado baseado em Aproximação Convexa Sucessiva (SCA) e Otimização Alternada (AO):

1. Simplificação do Design de RF: Os precodificadores e combinadores de RF são inicialmente projetados usando a fase do canal conjugado (para UEs próximos) ou vetores de direção (para UEs de borda) para simplificar o problema.
2. Transformação Equivalente: Variáveis de folga são introduzidas para transformar as restrições de taxa não convexas em uma forma adequada para otimização convexa.
3. Solução Iterativa: O problema é decomposto em dois subproblemas: otimizar os precodificadores de banda base ($F_{BB}, G_{BB}$) e o combinador de banda base ($W_{BB}$). As restrições não convexas envolvendo termos de relação sinal-interferência mais ruído (SINR) são aproximadas usando expansões de Taylor de primeira ordem.
4. Convergência: O algoritmo alterna entre resolver esses subproblemas (formulados como Programas de Cone de Segunda Ordem - SOCP) até a convergência para uma solução estacionária.

Principais Resultados
Simulações numéricas foram conduzidas em um ambiente urbano com arranha-céus causando sombreamento pesado, comparando o esquema proposto (Esquema-1) contra dois benchmarks: uma rede terrestre coordenada sem HAPS (Esquema-2) e uma rede terrestre não coordenada (Esquema-3).

• Desempenho do UE de Borda: O esquema assistido por HAPS proposto supera significativamente as linhas de base apenas terrestres. Especificamente, a taxa de soma dos UEs de borda quase dobra em comparação com o esquema terrestre coordenado (Esquema-2). Esse ganho é atribuído ao fato de a HAPS fornecer links LoS que contornam o sombreamento e a perda de percurso terrestres.
• Taxa de Soma do Sistema: A taxa de soma total do sistema aumenta conforme o raio da célula terrestre cresce. Isso ocorre porque raios de célula maiores reduzem a interferência que a HAPS causa aos UEs próximos.
• Robustez: A taxa de soma do UE de borda permanece relativamente estável através de variações no raio da célula, pois a interferência mútua entre os UEs de borda é amplamente independente do tamanho da célula.

Significância e Alegações
O artigo afirma ser o primeiro trabalho especificamente voltado para a melhoria da capacidade de UEs de borda de célula em áreas urbanas usando HAPS como um repetidor dentro de uma rede terrestre. Os autores enfatizam que, embora a HAPS tenha sido estudada para áreas remotas e comunicação via satélite, sua integração para mitigar a ICI e o sombreamento urbano é uma aplicação inovadora. O estudo demonstra que integrar HAPS com redes terrestres, utilizando repetição full-duplex e beamforming híbrido, oferece um caminho viável para aumentar a conectividade para os usuários mais vulneráveis em redes sem fio de próxima geração (além do 5G/6G), alinhando-se com as visões das Releases 17 e 19 do 3GPP para a integração de Redes Não Terrestres (NTN). O algoritmo proposto fornece um método computacionalmente eficiente para alcançar esses ganhos sob restrições realistas de potência e QoS.