Firefly Ultra Dense Networks: Design of Linear and Nonlinear Processing Strategies

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-08-15
Issue Year
2022
Authors
Ackermann, Katharina
Editor
Abstract

Firefly ultra dense networks combine the promising properties of centralized processing and ultra dense deployment. We consider the uplink of the network, where a large number of remote radio units, referred to as firefly nodes (FNs), are spatially distributed over an area. In this coverage area, several mobile devices (MDs) are simultaneously connected to all FNs via sub-6 GHz radio frequency links. In contrast to the cloud radio access network (C-RAN) architecture, the FNs in firefly ultra dense networks forward the MDs’ data through multi-hop millimeter-wave (mmWave) links to one or multiple root nodes, since the coverage radius of an individual mmWave link is limited. These root nodes then forward the data over optical fiber links further to a central unit (CU), where the MDs’ signals are decoded. The amount of data that is received at each FN is potentially huge, and therefore efficient signal processing is required at each FN before the received signals can be forwarded to other FNs. Thus, in this thesis, we propose several linear processing strategies and a nonlinear processing strategy. First, by deploying linear processing schemes, all received signal streams are linearly filtered at each FN before being forwarded over an available mmWave link. Our simulation results show significant performance improvement compared to a baseline scheme. Furthermore, we propose a nonlinear processing strategy that quantizes the received signals at each FN. In particular, for the nonlinear forwarding at the FNs, we formulate an optimization problem for a local design strategy and present an optimal solution by utilizing strong duality and using the Lagrangian method to transform the optimization problem into an unconstrained problem via its dual formulation. A bisection algorithm for finding the optimal dual variables and a closed-form solution for the primal variables are presented. In addition, based on the cut-set bound, we develop an upper bound of the achievable sum rate for the considered firefly network. It is shown that the proposed nonlinear forwarding strategy outperforms several linear forwarding strategies and approaches the performance upper bound in relevant transmit power regimes at the expense of higher computational complexity. Our simulation results reveal that having more root nodes in the topology improves the performance of linear and nonlinear forwarding but also requires additional optical fiber links to the CU.

Abstract

Firefly-Ultra-Dense-Netzwerke vereinen die vielversprechenden Eigenschaften von Centralized-Processing und Ultra-Dense-Deployment. Wir betrachten den Uplink des Netzwerkes, bei dem eine große Anzahl von Remote-Radio-Units, die als Firefly Nodes (FN) bezeichnet werden, räumlich über ein Gebiet verteilt ist. In diesem Abdeckungsgebiet sind mehrere Mobilgeräte (MDs) gleichzeitig mit allen FNs über das sub-6-GHz-Frequenzband verbunden. Im Gegensatz zur Cloud-Radio-Access-Network (C-RAN) Architektur, leiten die FNs in Firefly-Ultra-Dense-Netzwerken die Daten der MDs über Multihop-Millimeter-Wellen (mmWave) Verbindungen an einen oder mehrere Wurzelknoten weiter, da der Abdeckungsradius der einzelnen mmWave-Verbindung begrenzt ist. Diese Wurzelknoten wiederum leiten die Daten mittels Glasfaserleitungen zu einer Central-Unit (CU) weiter, bei der die Signale der MDs dekodiert werden. Die Datenmenge, die an jeder FN empfangen wird, ist potenziell groß, weshalb eine effiziente Signalverarbeitung an jeder FN erforderlich ist, bevor die empfangenen Signale an andere FNs weitergeleitet werden können. Daher stellen wir in dieser Arbeit mehrere lineare Verarbeitungsstrategien und eine nichtlineare Verarbeitungsstrategie vor. Mithilfe von linearer Verarbeitung werden alle empfangenen Signalströme an jeder FN linear gefiltert und anschließend über vorhandene mmWave Verbindungen weitergeleitet. Verglichen mit einem Vergleichsverfahren, zeigen unsere Simulationsergebnisse eine signifikante Leistungsverbesserung auf. Des Weiteren stellen wir eine nichtlineare Verarbeitungsstrategie vor, welche die empfangenen Signale an jeder FN quantisiert. Insbesondere wird ein Optimierungsproblem für eine lokale Designstrategie der nichtlinearen Weiterleitung formuliert und eine optimale Lösung präsentiert, wobei wir die starke Dualität und die Lagrangesche-Methode verwenden, um das Optimierungsproblem über seine duale Formulierung in ein einfacheres Problem umwandeln. Es wird ein Bisektionsalgorithmus zur Ermittlung der optimalen dualen Variablen und eine geschlossene Lösung für die primären Variablen vorgestellt. Darüber hinaus entwickeln wir auf der Grundlage der Cut-Set-Bound eine obere Schranke der erreichbaren Summenrate für das betrachtete Firefly-Netzwerk. Die vorgeschlagene nichtlineare Verarbeitungsstrategie übertrifft mehrere lineare Verarbeitungsstrategien und erreicht die obere Leistungsschranke in relevanten Sendeleistungsbereichen auf Kosten einer höhereren Berechnungskomplexität. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein von mehr Wurzelknoten in der Topologie die Leistung der linearen und nichtlinearen Weiterleitung verbessert, jedoch weitere Glasfaserverbindungen zur CU nötig macht.

DOI
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