25→利用射线跟踪法对140 GHz中继链路的初步评估摘要美国堪萨斯州劳伦斯市堪萨斯大学sravan.ch @ ku.eduSundeepRangan纽约大学美国布鲁克林srangan@nyu.edu美国mezzavilla@nyu.edu纽约大学布鲁克林分校MortezaHashemiUniversityof Kansas美国堪萨斯州劳伦斯市mhashemi@ku.edu1介绍对移动数据不断增长的需求需要一种能够承受5G及以上多Gbps流量要求的传输网络架构。 为了满足这种前所未有的需求，正在进行研究以将太赫兹（THz）通信并入未来的移动网络中。 在本文中，我们考虑了城市环境，并评估了在具有功能分裂的分散式5G网络架构中，中央单元（CU）和分布式单元（DU）之间的传输网络的THz无线中途链路的可行性。我们的目标是研究在140GHz的中途链路的可行性，最大限度地减少所需的CU的数量，以服务于所有的DU。为此，我们定义了几种策略，选择CU和DU节点，以确定峰值数据速率，可以支持在每个链接之间的CU和DU。我们的数值结果的基础上，射线跟踪表明，无线链路在140 GHz的3GPP选项2作为高层分裂（HLS）是一个很有前途的技术，用于中途运输网络。CCS概念• 网络网络模拟;无线接入点、基站和基础设施。关键词中程，140 GHz，射线跟踪，传输网络ACM参考格式：SravanReddy Chintareddy ， Marco Mezzavilla ， Sundeep Rangan ， andMortezaHashemi. 2022年使用光线跟踪对140 GHz的中途链路进行初步评估。 第五届ACM毫米波和太赫兹网络和传感系统研讨会（mmNets'21），2022年1月31日至2月4日，美国路易斯安那州新奥尔良。ACM，美国纽约州纽约市，6页。https：//doi.org/10.1145/3477081.3481674允许制作本作品的全部或部分数字或硬拷贝供个人或课堂使用，无需付费，前提是复制品不以营利或商业利益为目的制作或分发，并且复制品在第一页上带有此通知和完整的引用。版权的组成部分，这项工作所拥有的其他人比ACM必须尊重。允许用信用进行提取 复制，或重新发布，张贴在服务器上或重新分发到列表，需要事先特定的许可和/或费用。请求权限请发邮件至permissions@acm.org。mmNets©2022计算机协会ACM ISBN 978-1-4503-8699-9/22/01。- 是的- 是的十五块https://doi.org/10.1145/3477081.3481674由5G新无线电（5G-NR）实现的大量数据流量导致对传输网络的极端容量要求。 为了承受对传输网络的这种极端需求，3GPP将功能拆分确定为潜在的解决方案[8]。功能划分决定了应该驻留在本地单元站点的功能数量，以及应该集中在更强大的数据中心的功能数量[22]。正在研究将在5G-NR [6，7，24]中使用的多个不同的功能拆分选项和接口，其中5G基站（gNB）被划分为远程单元（RU）、分布式单元（DU）和中央单元（CU），如图1所示1.展望第六代（6G），传输网络上的数据流量的压倒性需求以及对多Gbps数据速率的需求将进一步持续[13]。考虑到数据流量的这种增长，集成100 GHz以上未开发频谱的新块被认为是在6G网络中实现超高数据速率的潜在解决方案[26]。 此外，由于太赫兹频率下的波长较小，因此许多天线元件可以封装成小形状因子，这使得超大规模多输入多输出（UM-MIMO）技术成为可能[12]。更高的可用带宽和更大密度的天线元件一起需要更复杂的信号处理技术，以实现多Gbps的数据速率。为此，作者在[29]中研究了用于无线通信的THz特定信号处理技术，包括波形设计和调制、波束成形和预编码、索引调制、信道估计、信道编码和数据检测。虽然前面提到的研究探索了太赫兹通信的理论方面，但由于缺乏硬件，没有进行现场实验。 近年来，由于电子和硬件可用性的进步，在140 GHz下进行了几次户外实验[31，33]，以研究在未来移动网络中使用140 GHz的可行性。特别是，[25]中的作者发现，28 GHz和140 GHz系统中的路径损耗、延迟扩展、最强路径的最大数量等信号特性相似，这表明后者可考虑用于无线宽带应用。此外，一些研究表明，超过100 GHz的频率可用于点对点链路[13，26]。然而，据我们所知，26≤CDCEE（）联系我们联系我们 C（）（）（）VCDEG {V E}VmmNets小区站点聚合站点边缘站点F2F1NG杜RLCRLCRLC除了作为潜在解决方案的功能拆分之外，应该注意的是，具有小小区大小的5G及更高网络需要更多的基站来提供无处不在的覆盖[17]。因此，使用光纤对于这种密集的传输将是昂贵的选择。RUMACMACMACPHYPHYPHYRRCCUSDAP5G核心网络网络.为了解决这个问题，3GPP提出了集成接入和回程（IAB）[34]。然而，到目前为止，RU低层分割（选项7.2x）杜RLCRLCRLCMACMACMACPHYPHYPHY高层拆分（选项2）PDCPIAB网络主要集中在毫米波（mmwave）上。频率和5G-NR的背景下在这项工作中，我们扩展了无线中途链路的概念，并研究了在密集的城市地区部署亚太赫兹和太赫兹链路的可行性，这不仅降低了成本，而且还提供了更高的数据速率。特别是，我们的工作旨在统一图1：5G NR架构，具有功能拆分和内部脸上图2：具有不同拆分选项的级联拆分架构中的5G（a）高层拆分 （ F1 ） 、 5G （ b ） 低 层 拆 分 （ Fx ） 和 5G （ c ） 的CU/DU/RU功能映射[30]。在140 GHz处 CU-DU之间的链路尚未被充分探索。在本文中，我们考虑在城市环境中的CU和DU之间的140GHz的高效中途链路的设计方面。特别是，我们的工作旨在尽量减少为所有DU提供服务所需为此，我们定义了用于选择CU和DU的最佳策略，并确定了CU和DU之间的每个链路上可以支持的峰值数据速率2背景和相关工作如第1节所述，功能划分的总体目标是确定可以在小区站点和远程数据中心执行的计算量例如图图2示出了功能划分的级联视图，其中3GPP已经提出了八个划分点和若干子选项[8]。在该图中，基于3GPP选项的前传和中途上的接口被示出为虚线。不同的5G选项，即5G（a），5G功能分割和太赫兹通信的概念，以满足对运输网络不断增长的需求 我们专注于最大限度地提高140GHz无线中途链路的效率，通过提供最少数量的CU来服务于多个DU，同时最大限度地提高每个CU-DU链路的数据速率。3问题公式化我们考虑在城市环境 中设计140 GHz的无线中途链路分布式单元（DU）。我们进一步考虑每个CU配备有N个天线元件，并且每个DU具有N个天线元件，使得N个天线元件 。 CU 和 DU 之间的路径可 以 是 视 距 （ LOS ） 或 非 视 距（NLOS），这取决于环境。在我们的场景中， CU和DU之间的路径由接收功率（rx-功率）、出发角（AoD ） 、CU位置（CU）、DU位置（DU）、到达角（AoA）、延迟扩展和相对相位旋转来参数化好吧这里，θ是仰角，θ是方位角。基于这个系统模型，我们的目标是最大限度地减少所需的CU服务所有DU的数量，同时保证峰值速率���Gbps，在每个CU-DU链路。 让我们假设表示CU的集合并且表示DU的集合。因此，我们希望选择CU的子集，通过关联多个DU来最大化有效覆盖。直观地说，我们可以把图其中表示图的顶点为CU和DU（即， =） ， 并 且表示CU和DU之间的链路在这种情况下，包括CU和DU之间的LOS和NLOS设 CU0， 1是指示CU是否“属于”或“不属于”，即，是否选择CU连接来提供到DU的连接。此外，假设UE0，1是二进制变量，其指示从CU102到DU104的链路是否承载DU104������此外，假设CU和DU之间实现的链路容量由下���式给出。������然后，我们可以将优化问题公式化，对于子集C′的选择，如下所示：(b)和5G（c）也在该级联视图中示出选项5G（a）最小化.���∈ C������和5G（b）具有将gNB划分成CU的单个分裂点关于我们和DU，而5G（c）考虑HLS和LLS两者，并且gNB是须遵守： -���是的��� ������������≥���������，n���∈C，n���∈D，（一）分为CU、DU和RU。在这种情况下，作者在[1，2，4]提供有关流动数据对运输网络的需求的估计=1���������=1, ∀ ∈D,在考虑3GPP拆分选项时，但n���������= 1 − ���{ ���= 0}，n ∈ C，n ∈ D。使用HLS和LLS两者的功能划分的级联视图以及对中途无线链路的评估没有被充分探索。（1）中的目标函数是最小化所需CU的数量以提供到所有DU的连接性第一27×′′DD DC C{}D′′DGVG {V E}CECVCDE{V E}CCDCC（）G {V E}C C-{}VV{}E ECMidhaul Links at 140 GHzmmNets图3：弗吉尼亚州罗斯林500 500示出了CU和DU之间的传播路径的样本约束保证所选择的CU带宽和DU带宽之间的链路仅在所选择的CU带宽被提供时才提供至少100Gbps的数据速率，即，只有当=1时。 第二个约束确保CU和DU仅关联一次，第三个约束确保当CU=0时，CU和DU为零注意，每个链路上的容量还取决于CU-DU关联、CU-DU天线对准、信道估计和预编码器。接下来，我们解释这些步骤。3.1CU-DU协会算法1：用于CU选择和CU-1的贪婪算法DU协会要求：连接图（G）确保：数据连接图（G）1： ：C′←D′′← ，V′← ，E′′← .2：当D′D做3：选择C-C中满足D-D′中大多数节点的接收信号功率阈值的节点A。一般来说，在无线网络中，由于诸如移动性的各种因素，用户和基站之间的关联是一个基本且具有挑战性的问题[16，21]。然而，在我们的设想方案中，所有CU和DU都是静止的，并且固定在高层建筑物的屋顶上，如图2所示3，其中CU4：′=′5：包括DU集6：′=′7：结束时八： C′← C′“连接到D”中的“连接”。相对于DU，放置在更高的建筑物由于我们想要最小化服务CU的数量，因此假设若干DU将连接到每个CU。CU的选择和CU-DU的关联可以使用如算法1中定义的贪婪算法来解决。该算法的第一部分是选择CU的子集“，用于向所有DU提供数据连接，并获得子图”=，“，其可以向每个DU提供所需的数据速率。设是在每次迭代时连接到CU的DU的子集，并且”是在先前迭代中已经关联的DU的集合。 在每次迭代时，选择具有到先前未与任何CU相关联的DU的最大数量的LOS路径的CU，从而确保每个DU仅与CU相关联一次。 在每次迭代之后，我们更新集合“和”（第4行和第6行）。算法1的第二部分是将“中的这些新的CU子集与”中的所有DU相关联。得到一个子图′='，在哪里′=′和 代表CU和DU在新的子图中。在每次迭代中，DU'的子集基于在集合''中接收到的最高信号强度与CU相关联（行11），并且CU和DU'之间的链路被更新（行12和行13）。3.2CU和DU波束成形在所提出的系统模式中，假设CU和DU具有多个天线，从而我们可以实现波束成形增益。一9：当“"不是空的。做10：选择���“”中的节点。11：������如果CU在集合“”中的CU中提供最高信号强度，则将DU连接12：“="13：“=” “14：′=′，′15：“"=”“16：结束时十七：18：返回子图G′和C′对于每个天线元件，假设水平和垂直辐射方向图的3dB波束宽度为65°的简单天线方向图，其规格在[9]中提供DU天线阵列在最强路径的方向上对齐这可以很容易地从捕获的AoA���中计算出来。然而，对于CU，由于存在一组连接的DU，我们将CU与那些连接的DU近似这可以通过取平均方向然后沿着计算的平均方向旋转那些连接的DU的AoD来粗略 应当注意，该方法虽然提供有希望的结果，但可能不是最佳的，因为一些DU可能没有在底部对准。D28..RX 1解调器解码器RX MRX 1解调器解码器.H（f）=GG������（）（）（）（）mmNetsS1线性预编码器W1S2线性预编码器CUX1X2XH1TX 1..H2....TX NHKRX1....RX M..DU1解调器解码器DU2...S'1S'2S'K在[32]中，也称为迫零（ZF）技术。然而，它们都对发射机施加了条件，以拥有足够大数量的天线。特别地，CU处的天线的数量应当至少等于所有连接的DU的天线的总和，这使得CU设计更加复杂。 或者，[27，28]中提出的方案不是优化复杂的SINR问题，而是使用基于信号泄漏的不同方法来计算使信号与泄漏加噪声比（SLNR）最大化的预编码向量。SLNR定义为：SK.RX MDUKSLNR=2019年12月22日������������2+∥H˜���W���∥2（三）图4：具有线性的其中，˜预编码连接的CU。考虑更复杂的波束形成方案推迟到我们未来的工作。3.3信道估计利用空间多样性是空间中使用的关键思想H���=[H1. H −1H+1. H]，（4）���是不包括H∞的扩展信道矩阵（即，CU和1之间的信道矩阵，2是噪声方差，并且是天线元件的数量。 根据[27]，最大化SLNR的预编码向量由下式给出：最大值。 本征向量.������2I+H˜∗H˜Σ−1H∗HΣ,(5)提高了信道容量。在我们的系统模型中，不同位置的CU和DU表现出不同的空间特征。在CU和DU处适当地定向天线阵列之后，计算天线阵列的空间特征G_（max）和G_（max）并将W的范数调整为1。 遵循如上所示的预编码技术，并且通过向所有连接的DU分配相等的发射功率，我们计算每个DU处的速率如下：��� =���（1−���）×min.log2（1+Γ），λxλ，（6）每个DU接收若干路径，因此信道矩阵H f可以假设为所有可能路径的线性组合，其中，λ是速率，λ是带宽，λ是损耗因子，计算如下[11，20]：∗���( )∗���− 2 ������( ),（二）假设为0。15，以弥补像循环的开销前缀，用于信道估计的导频，设计实用滤波器[11]，Γ是SINR，并且是最大频谱效率（SE）������������其中G和G分别是DU和CU的空间签名，是路径上的复增益 ，是路径上的传播延迟 。在我们的系统配置中，延迟扩展可以忽略不计，因此我们安全地假设信道是窄带的，同时计算信道矩阵H f，这里表示为H。3.4容量计算注意，单个CU可以提供到多个DU的连接 由于它们同时在相同频率上操作，因此我们使用SDMA 和多用户多输入多输出（MU-MIMO）来在每个CU-DU对之间提供最佳链路容量[20]。下行链路MU-MIMO是一个被充分研究的研究问题[19]。图1中示出了演示具有线性预编码的MU-MIMO的框图。其中，CU具有N个天线元件，DU具有N个天线元件，N是预编码之前的样本，N是针对样本N的预编码向量，N是对应于旨在用于第N个 DU的N的预编码向量第二个DU所观察到的，并且“0”是解码的输出对应。���到了。通常，为了最大化下行链路MU-MIMO系统，为了提高信道容量，我们需要在发射机处使用预编码技术来最大化信号干扰噪声比（SINR）以抑制同信道干扰（CCI）。然而，找到最大化SINR的最佳预编码器在计算上是复杂的[27，28]。有几种方案可以完美地消除CCI，进而最大化所提出的MU-MIMO容量假设每个链路为5。9位/秒/赫兹。 这是我们的波束成形场景传输单个流的合理假设。如[15，18]中所建议的，更先进的波束成形技术可以实现每个链路的更高SE和数据速率4仿真结果4.1光线跟踪设置进行城市规模的测量以评估140 GHz的无线由于射线跟踪仿真，它是可能的，以3D的复杂环境的特点，并获得信道参数，如AoA，AoD，路径增益，多普勒扩展，和每个路径上的延迟我们使用了Removal Wireless Insite射线跟踪仪[5]，该仪器被研究界广泛使用[14，23]。Remember中用于捕获信道参数的模拟设置见表1。 我们假设的2 GHz带宽基于载波频率的百分比，这与28GHz的许可频谱规格一致。例如，在28 GHz下，最大允许带宽为400 MHz，因此在中心频率140 GHz下使用相同的比率，我们可以看到2 GHz将是最佳选择。我们可以通过考虑更大的带宽来进一步扩展这一假设，以实现更高的速率，如[3]所示。此外，CU处43dBm的假设发射功率与[10]中的工作一致，其中作者设计了一个140 GHz的最先进功率放大器，每个天线元件可以发射0.1瓦的有效辐射功率。模拟是使用时分多址（SDMA）方案，大大增强了W2...线性预编码器焕光XK29其中每个CU和DU具有256个元素。×（）（）×Midhaul Links at 140 GHzmmNets默认的3D模型的500 500平方米的罗斯林，弗吉尼亚州，如图所示。3.参数值发射机数量（CU）8接收器数量（DU）36载波频率（f）140 GHz带宽（B）2 GHz发射功率43 dBm发射天线接收天线传播模型3反射次数6最大路径25表1：光线跟踪模拟参数选择研究区域后，可以选择要在输出中捕获的传播路径然后，该工 具 在 文 本 文 件 中 返 回 每 个 模 拟 位 置 的 路 径 参 数 （ 功 率������������������������������������������������������������������������、我们基于CU和DU位置为每条路径分配唯一的TX-ID和RX-ID。4.2MATLAB后处理设置由于我们在Removal设置中假设CU和DU都是全向天线，并且获得了必要的路径参数，因此我们现在可以在MATLAB中应用MIMO信道特性。为此，我们使用MATLAB假设所有CU和DU是16 × 16阵列，并且假设每个天线元件具有由3GPP [9]规定的天线方向图，其与贴片元件的辐射方向图一致此外，更大的天线阵列和有效的波束成形技术用于补偿在如此高的频率下显著的大气吸收损失[26]。 我们通过将所有DU关联到所选择的CU来开始如算法1中所描述的CU-DU关联，如图1所示。5. 根据初始连通图，算法选择CU的子集。 作为示例，我们示出了3个CU（CU 8、CU 1和CU 5）及其相关联的DU，相应地进行颜色编码以区分它们的关联。最初，我们从较小的CU集合开始，并且如果这些CU不向所有DU提供峰值数据速率，则我们改变算法的参数以获得较大的CU集合，然后重复该过程。在初始CU-DU关联之后，下一个步骤是基于接收到的数据流和每条路径上的数据流正确对齐CU-DU，如前一节所述。研究表明，对传输网络要求的数据要求将不断增加，因此为了考虑更高的性能指标，我们的目标是在CU与其相关联的DU之间的每条链路上实现10Gbps的峰值速率（R），从而最大化整体系统容量。最后，为了获得信道容量，我们首先计算每个CU-DU对之间的信道矩阵 根据信道矩阵，可以通过采用SDMA和下行链路MU-MIMO两者来找到信道容量，这导致有效地使用空间、时间和频率来同时服务所有DU。800750700650600550500450400350350400450500550600650700750800850900x坐标（m）图5：CU-DU对与3个CU的初始关联6040200-20-40-600 5 10 15 20 25 30 35 40DU指数图6：1、2和3个CU的SINR比较，图7：采用1、2和3个CU实现的速率，功率分配相等;所有36条链路均采用3个CU实现所需4.3CU和天线元件的数量的影响最初，我们从通过贪婪算法获得的一组较小的CU（从1个CU开始）开始，并关联所有DU。 我们的模拟结果表明，对于1或2个CU，CU8与CU8 CU1相关的DU与CU1 CU5相关的DU与CU5相关的DU1个CU的SINR2个CU的3个CU的SINR阈值SINR（dB）121086421CU速率2 CU速率3个CU所需速率的速率00 5 1015 2025DU指数30 35 40y坐标（m）速率（Gbps）30×××××mmNets在所有链路上实现峰值速率是可行的此外，我们观察到，当CU和DU被假设为具有16 × 16阵列时，与较低配置（例如，8个8或16个8阵列阵列）。从图中可以看出在图5中，我们假设3个CU并且关联所有DU。图图6示出了所实现的SINR，而图7示出了所实现的SINR。7显示了所有链路上的数据速率 从结果可以看出，当我们考虑1个CU时，几个链路不满足10Gbps的所需速率，并且当我们具有2个CU时，只有一个DU（DU索引21）不满足峰值速率约束。我们将CU的数量增加到3，并且再次通过根据算法1将DU与新的CU集合相关联来开始。 可以注意到，通过添加新的CU，所有链路速率都以峰值速率操作。 在所有上述场景中，SINR至少为19. 5 dB如图中虚线所示6，并能达到10 Gbps的峰值速率在我们的模拟中，我们假设发射功率被均等地分配给所有连接的DU。 在未来，我们将提高这种功率分配方法，考虑联合优化问题，扩展方程。 这不仅使所需CU的数量最小化，而且还有效地将功率分配给连接的DU，使得在所有链路上满足期望的速率约束。在我们未来的研究中，我们还将考虑更先进的波束成形技术（这可以进一步扩展我们的频谱效率假设），聚类算法，使DU成为可分离的组，传输多个数据流，所有这些都将进一步提高数据速率。5结论在本文中，我们提出了一个初步的评估，在140 GHz的中途链路使用光线跟踪，我们评估了无线中继链路在城市的情况下，考虑面积为500 - 500平方米。 我们的仿真结果表明，一组3个CU可以有效地服务所有36个DU。事实上，我们实现了10 Gbps的峰值速率的所有链路使用相等的发射功率分配阳离子。总的来说，很明显，随着对传输网络的流量需求不断增加，在5G及以后的时代寻求新的架构。我们的研究结果表明，THz无线中继链路之间的CU和DU结合3GPP功能分裂是一个很有前途的方向，特别是密集的城市环境，值得进一步研究。致谢斯 拉 万 河 Chintareddy 和 M.Hashemi 得 到 了 NSF 资 助 CNS-1948511和CNS-1955561的支持M. Mezzavilla和S.Ran- gan得到了NSF资助1302336、1564142、1547332和1824434、NIST、SRC和NYU WIRELESS的工业附属机构的支持。引用[1] 2017. 用于5G以上网络的无线太赫兹系统架构https：//ict-terranova.eu/project-2。[2] 2018.支持超高数据速率应用的太赫兹端到端无线系统。https://thorproject.eu/results/deliverables。[3] 2019. https://www.ericsson.com/en/press-releases/2019/5/deutsche-telekom-和-ericsson-top-100gbps-over-microwave-link。[4] 2019. EuWireless RAN架构和虚拟测试床切片框架。Springer US，Boston，MA，131[5] 2021. Remcom 可在https://www.remcom.com/网站上查阅。[6] 3GPP TS 38.300。2020年。NR和NG-RAN总体描述。[7] 3GPP TS 38.475。2017年。NG-RAN; F1接口用户平面协议。[8] 3GPP TR 38.801。2017年。研究新的无线接入技术、无线接入体系结构和接口。[9] 3GPP TR 38.900。2018年 研究6 GHz以上频谱的信道模型（Release 15）。[10] S. H. 作者：Ahme d，AliA. Farid，MiguelUrteaga，JamesBuckwalte r，andMark J. 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