Trasformare le reti aeree con accesso integrato e backhaul

Con l’aumento della richiesta di servizi wireless, il numero di utenti e stazioni base sta crescendo rapidamente. Mentre passiamo da reti più vecchie come il 3G a quelle più nuove come il 5G, la densità delle stazioni base è aumentata in modo significativo. Questa crescita nella domanda ha messo pressione sulle reti di accesso radio e sui loro collegamenti di backhaul, fondamentali per la trasmissione dei dati. Usare cavi in fibra ottica per ogni piccola stazione base non è spesso conveniente economicamente. Quindi, le prossime reti 6G hanno bisogno di nuove soluzioni wireless economiche che possano supportare un gran numero di utenti.

Un metodo promettente si chiama Accesso Integrato e Backhaul (IAB). Questa tecnica permette di condividere risorse tra i collegamenti di accesso e backhaul, facilitando la creazione di reti mobili dense. Usa una struttura di rete in cui più piccole stazioni base sono collegate a una stazione base più grande, aiutando a ridurre un po' la pressione su queste reti.

#Sfide con il Backhaul Tradizionale

I metodi di backhaul wireless tradizionali affrontano sfide a causa della disponibilità limitata di spettro. Le bande di frequenza a microonde utilizzate per questi metodi spesso non offrono abbastanza capacità per soddisfare le crescenti esigenze. D'altra parte, le bande millimetriche (mmWave) offrono un'opzione più conveniente per il trasferimento dati ad alta velocità, ma hanno anche delle limitazioni, come l'alto path-loss e la gamma ridotta.

L'IAB aiuta a affrontare questi problemi permettendo di condividere le stesse risorse tramite connessioni multiple e operando in modo multi-hop. Anche se il potenziale dell'IAB è ben riconosciuto per le reti a terra, la sua applicazione nelle reti aeree è ancora in fase di studio.

#Tipi di Approcci

Quando si parla dell'integrazione dell'IAB con i Veicoli Aerei Senza Equipaggio (UAV), ci sono due approcci principali.

1. IAB Assistito da UAV: In questo metodo, gli UAV sono usati per migliorare le performance della tecnologia IAB, principalmente supportando reti a terra.

2. UAV Assistiti da IAB: Questo è un campo meno esplorato, focalizzandosi su come l'IAB può migliorare il backhaul per le reti UAV. Questo documento pone l'accento su questo secondo approccio.

Nelle reti IAB assistite da UAV, ci sono studi su come mitigare l'interferenza, il posizionamento ottimale degli UAV e come gestire la potenza. Ma la maggior parte di questi studi trascura le limitazioni sulla connettività aerea a causa delle antenne a tilt negativo delle stazioni a terra. Questo documento mira a colmare questa lacuna esplorando come l'IAB può migliorare le performance delle reti UAV.

#Framework Proposto

Il framework proposto utilizza un approccio aereo multi-livello con stazioni base UAV. Il livello inferiore presenta una stazione base UAV che copre gli utenti terrestri, mentre il livello superiore si concentra sull’istituzione di accesso wireless per gli utenti aerei e sulla fornitura di servizi di backhaul per la stazione base di livello inferiore.

I nodi IAB sono progettati per condividere le risorse di spettro di frequenza tra utenti aerei e terrestri, tentando di massimizzare il tasso di dati tra i due gruppi. Il modello di rete enfatizza una connessione necessaria tra la stazione base aerea e il livello aereo superiore, il che aiuta a mantenere la comunicazione continua con gli utenti a terra.

#Architettura del Sistema

In questo setup, ogni nodo IAB ha componenti differenti che svolgono ruoli specifici. Un nodo IAB può avere due parti principali: l'Unità Distribuita (DU) e la Terminazione Mobile (MT). La parte MT si connette alla rete, mentre la DU fornisce le funzioni necessarie agli utenti o ad altri nodi.

Il processo di collegamento di un nodo IAB alla rete è simile all'aggiunta di una nuova stazione base a terra. Comprende tre fasi principali:

1. Inizializzazione e Sincronizzazione: Il nodo IAB si connette al suo donatore designato eseguendo la scansione della banda di frequenza e stabilendo la comunicazione.
2. Impostazione del Collegamento Backhaul: Viene configurato un collegamento di backhaul per consentire il flusso di dati tra il nuovo nodo e il donatore.
3. Configurazione: Infine, la DU del nuovo nodo IAB viene impostata, permettendole di iniziare a fornire servizi agli utenti.

#Modello della rete aerea

Il modello di rete aerea assistita da IAB è progettato per scenari in cui le reti terrestri tradizionali potrebbero fallire, come durante disastri naturali. Il livello superiore dei nodi aerei garantisce che la connettività di backhaul sia mantenuta per servire sia gli utenti aerei che quelli terrestri.

In situazioni normali, i nodi aerei condividono la stessa frequenza e Larghezza di banda degli utenti a terra. Il focus principale del framework è massimizzare il tasso di somma tra questi due gruppi distinti di utenti, tenendo conto delle restrizioni imposte dal backhaul aereo.

Il modello include più collegamenti aerei e assegna canali specifici a diversi tipi di utenti, che siano a terra o in aria. Ogni stazione base aerea è dotata di array di antenne che dividono i loro elementi per scopi sia di backhaul che di collegamenti di accesso.

#Affrontare Larghezza di Banda e Rumore Termico

L'allocazione della larghezza di banda è fondamentale per garantire comunicazioni efficienti. Man mano che la larghezza di banda aumenta, aumenta anche la capacità di trasferire dati. Tuttavia, il rumore termico-un rumore elettrico indesiderato che aumenta con la larghezza di banda-può influenzare le performance.

Questo documento esplora come la larghezza di banda influisce sul rumore termico e sulle performance della rete, mirando a trovare un giusto equilibrio che massimizzi la trasmissione dei dati minimizzando gli effetti del rumore.

#Problema di Ottimizzazione

L'obiettivo del framework proposto è massimizzare il tasso di trasmissione complessivo dei dati per gli utenti aerei e terrestri. Lo studio formula un problema attorno all’ottimizzazione di come vengono assegnati frequenze e risorse, considerando le limitazioni operative dei collegamenti di backhaul.

Per fare ciò, la ricerca scompone il problema principale in compiti più piccoli per affrontare in modo più efficace sia il beamforming che l'allocazione dello spettro. Questa separazione non solo semplifica le questioni in gioco, ma consente anche una soluzione più focalizzata su ciascun componente.

L'ottimizzazione comporta la progettazione di matrici di beamforming ibride che possano mitigare l'interferenza mentre massimizzano il tasso di somma della rete. L'obiettivo finale è trovare soluzioni efficienti che possano operare sotto i vincoli dati, migliorando al contempo le performance complessive della rete.

#Analisi Numerica

Vari scenari sono stati testati attraverso simulazioni numeriche. I risultati indicano chiare tendenze su come le reti UAV assistite da IAB performano rispetto alle configurazioni tradizionali non-IAB.

Confrontando i due setup, è evidente che il design IAB supera significativamente i modelli non-IAB. La capacità di allocare dinamicamente la larghezza di banda e condividere le risorse consente al modello IAB di gestire più efficacemente i picchi di traffico rispetto ai modelli in cui le risorse sono fisse.

#Valutazione delle Performance

Le performance delle reti assistite da IAB sono analizzate in termini di capacità di gestione dei dati, efficienza energetica e quanto efficacemente riducono l'interferenza. Inoltre, viene esaminata l'efficienza energetica sia per gli utenti aerei che terrestri, per garantire un utilizzo ottimale delle risorse.

Man mano che vengono schierate più antenne trasmittenti, migliorano sia la capacità di dati che l'efficienza. Gli studi mostrano che la rete IAB può utilizzare le sue antenne in modo più efficace, portando a migliori performance complessive.

#Conclusione

Il framework proposto assistito da IAB mira a migliorare come le reti aeree affrontano le sfide di backhaul e accesso. Sfruttando il beamforming ibrido e ottimizzando la larghezza di banda tra utenti aerei e terrestri, la rete può aumentare notevolmente le sue performance.

Il lavoro futuro esplorerà ulteriormente come questo framework possa essere integrato con reti non terrestri in scenari reali, tenendo conto della mobilità degli utenti e delle varie condizioni di canale. I risultati evidenziano il potenziale del framework di soddisfare efficacemente le esigenze delle future reti wireless, aprendo la strada a una connettività migliorata.