Topology formation optimization for mm-Wave 5G integrated access and backhaul networks

The penetration of information technology into the everyday life of people worldwide is increasing the demand for high data rate communication systems in recent years. One of the essential communication systems is the cellular network which has been evolving since 1979 when the first commercial cellular network called 1G (first generation) was deployed. At the moment that this paper is written in 2022, the last standardized generation of cellular networks is 5G (fifth generation) which has some novel features concerning the previous generations to tackle the demand for low latency, high throughput, and reliable communication. One of the key features of 5G is using a new high-frequency spectrum that is standardized by 3GPP for cellular communications, which is called millimeter-wave (mm-Wave). Integrated access and backhaul network (IAB-Network) is a novel network that exploits the advantages of using mm-Wave and is proposed to decrease the cost and increase the efficiency of deploying the 5G networks. In this study, we investigate the performance of different topology formation and routing algorithms in the IAB-Network and compare the results with the performance of optimal topology formation and routing, which is achieved from the linear programming method (LP). Furthermore, we try to find a way to reduce the time of solving the optimization problem by the solver.

La crescente integrazione delle tecnologie dell’informazione nella vita quotidiana delle persone in tutto il mondo ha comportato, negli ultimi anni, un’aumento della domanda di sistemi high date-rate. Uno dei più importanti sistemi di comunicazione è rappresentato dalla rete mobile. Le reti mobili hanno fatto la loro comparsa nel 1979, quando la prima cellular network commerciale, chiamata 1G (prima generazione), fu messa in opera. Ad oggi, nel 2022, l’ultima generazione di rete mobile ad essere adottata come standard è il 5G (quinta generazione), la quale presenta caratteristiche innovative rispetto alle precedenti generazioni che le consentono di rispondere adeguatamente alle richieste di bassa latenza, alta portata, e affidabilità. Una delle principali caratteristiche peculiari del 5G è l’utilizzo di millimeter-wave, uno spettro ad alte frequenze che ha ricevuto l’approvazione da 3GPP. Integrated access and backhaul network (IAB-Network) è un nuovo tipo di rete che sfrutta i vantaggi della tecnologia mm-Wave con lo scopo di di abbattere i costi e aumentare l’efficienza della messa in opera di reti 5G. In questo studio investighiamo le performance di diversi algoritmi di formazione di topologie di routing, applicati a network IAB e le confrontiamo con la performance teorica ottimale, ottenuta con metodi di programmazione lineare. Inoltre ricerchiamo strategie per ridurre i tempi di computazione richiesti per la risoluzione del problema di ottimizzazione.