Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   11 ,  No.   1 Febr uar y   2021 , pp.  3 90 ~ 401   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v11 i 1 . pp 3 90 - 401          390       Journ al h om e page http: // ij ece.i aesc or e.c om   GPON  an d V - b an d mmWave in   green b ackh aul  s olution f or 5G  u ltra - d en se  n etw or k       Ayod e ji Akee m Aja ni 1 Vi tal ic e Ka le ch a Odu ol 2 Z achaeus  K ayod e   Ad e yem o 3   1 Depa rt m ent   of  El e ct ri ca l   Eng in ee ring ,   PA N Afric an   Univer sit y ,   Instit ute of  B asi Sci ences,    Te chno log y   a nd  Innova ti on   (PA UIS TI) ,   Ken y a   2 Depa rt m ent   of Electrical  Eng in ee ring ,   Univ ersity   of  Nai robi, Ke n y a     3 Depa rt m ent   of  El e ct ri ca l   and   E l ec tron ic s E ng ineeri ng,   L adoke  Akintol a   Univer si t y   of  T ec hno log ( LAUTECH ) ,   Niger ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r   15 , 20 20   Re vised  Jun   1 0 ,   20 20   Accepte J u n   23 , 20 20       Ultra - dense   netw ork   (UD N)   is  cha racte ri ze d   b y   m assive  depl o ym ent   of  sm all   ce l ls  which  result ed  int comple bac khauling  of  the   ce l ls.  Thi implie that   for  5G  UD to  be  en erg y   eff ici ent ,   appr opri ate  bac khau li ng  sol uti ons  m ust  be  provide d .   In  thi pape r,   we   have   evalua t ed   the   per fo rm an ce   of  gig a   passive  opti c al   n et work   ( GPON )   and  V - band  m il l imetre   wave   ( m m W ave )   in   serving  as  gr ee n   bac kh aul   solu tion  for  5G  UD N.  Th app roa c h   was  to  first   rep roduc e   ex isti ng  bac kh aul  solu ti ons  in   ver y   den se  net work   ( VDN )   sce nar i o   which  serve as   benc hm a rk  for   the   per form an c evalua t ion  for   the   UD N   sce nar io .   The   b e st  two  soluti ons,  GP ON  and  V - band  soluti ons  from   the   VD N   were   the deplo y ed  in  5G  UD sce nar io.   The   rese ar ch  was  done  b y   sim ula ti on  in   MA TL AB.  The  per form ance  m et ric used  were   powe r   consum pti on   an ene rg y   eff icie nc y   against  th e   norm al iz ed   ho url y   tra ff ic   profil e .   The   resu lt   rev e al ed  tha GP ON  and  V - b and  m mWave   outpe rform ed   othe soluti ons  i VD N   sce nar i o.   How eve r,   this   per form anc signifi c antl y   droppe in  th UD sce nar io  due  to  high er  data  tra ff ic   r equi re m ent   of  UD compare to  VD N.  Thus,   it   ca be  conc lud e tha GP ON   a nd  V - band  m mWave   are   no best  suit ed  to  s erv as  gr ee ba ckha ul  solu ti on  f or  5G  UD N   nec essit at ing   fur the r investi g at io of  oth er available   b ac kh aul   tec hnologi es.   Ke yw or d s :   5G    G - P O N   Gr ee b ac kh a ul   s olu ti ons   Ultra - d en se  n et works   V - b a nd m m W ave   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  B Y - SA   l ic ense .     Corres pond in Aut h or :   Ayo dej A kee m  A j ani   Dep a rtm ent o Ele ct rical  En gi neer i ng,   PAN  Africa n Un i ver sit y,  In s ti tute of  Basi Scie nces,  Tec hnol og y a nd  Inn ov at io n (P A UISTI ) ,   PAUST Com plex  Bl ock B,  JKUAT  m ai ca m pu s,  JU J A,  P. O.  B ox 62 000    00 200 Na iro bi, Kenya.   Em a il ajan i aa@gm ai l.co m       1.   INTROD U CTION     The  T hird  a nd f ourt ge ner at i on   netw ork  ( 3G and 4G)   ha ve  sh ow that m ob il e n et works  can  pro vid e   broa db a nd  acce ss   [1] Howe ver,  us e rs’   num ber and   ser vice  ap plica ti on are  inc reas ing   a nd   c hangi ng .     This  acco rd i ng  to  f or ecast   [2 3]   us e rs’   data  an traf f ic   req ui rem ent will   ov er w he l m   the  capaci ty   of     the  existi ng  m ob il net wor ks.  Th us t her is   need   f or   network   t hat  can  handle  10 00x  m or data  traffi an this  netw ork  is   known  as  the  fifth  g ene rati on  net work   (5G [ 4,   5] Ca pac it con siderati on   was  no the   on ly   adv a ncem ent  exp ect e of  5G   netw ork  com par ed  to  e xisti ng  net work s   [1] The  ot her   e xpect ed  feat ur e s   of   5G  netw ork  is  a sh ow i Ta bl e   1.   I orde t ac hieve   it ta rg et e perfor m ance,  [ 1]   ide ntifie e voluti on  of   existi ng  ra dio  acce ss  te c hnologies  (R ATs ),   Hype rd e ns e   sm all cell  de plo ym ent Self orga nisin ne twor (S O N ),   Ma chi ne  ty pe  com mu nicat io (MT C),  De velo ping  m il l i m et re  w ave  (m m W ave RATs,  al loca ti on   of   new  sp ect ru m   for  5G,  S pectr um   sh arin g R adio  acce ss  network  (R AN)  vi rtuali sat ion E nergy  ef fici enc (EE)  and Redesi gn i ng  bac khaul li nk s   as t he 10 p il la rs  of 5G  net work.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       GPO N  an V - band  mm W ave  in gree n ba ck haul s olu ti on f or   5G u lt r a - de ns network  ( Ayod ej i Ake e m Aj an i)   391   Table  1.   E xpec ta ti on  fro m  the  5G fram ewo r [ 6]   Para m eters   Su p p o rt   Data Rates   10 - 1 0 0 x   m o r e than  L T d ata  rates   Mob ility   Su p p o rt  f o h ig h  sp eed u sers (~50 0 Km /h )   Heterog en eo u s Netwo rks   Mob ility  su p p o rt  in  heterog en eo u s R ad io  Acce ss   Techn o lo g ies alo n g  with  m u lti - co n n e ctiv ity  capab ilities   CAPEX/O PEX   Su stain ab le   New dep lo y m en t c ap ab ilities   Easy   W ire less  dev ice de n sity   Su p p o rt  f o 1 0 - 1 0 0 x   m o re  d ev ices   End - to - End  latenc y   <1 m s   Qu ality  of  E x p erie n ce   Co n tex t bas ed  ( f lo w,  m o b ilit y  pro f ile etc. )   Energy  ef f icien cy   Hig h   Data Rates   10 - 1 0 0 x   m o r e than  L T d ata  rates       The  10  pill ars  are  relat ed a nd  m os tim re searche com ple m entaril so lve  prob le m to  ad dr ess  t w or   m or of  the se  key  featu res   si m ultaneou sl y.  Energy  ef fici ency,  m il l i m etr wa ve  (m m Wav e ),   bac kh a ul  an Hype rd e ns S m al l Ce ll   Dep loym ent  in  oth e w ords ultra - dense  ne tw ork ( UDN)  are  s om of   the  c on cept  on  fo c us   i this   re search .   T he  c oncept  of  Ultra - Den s Netw orks  i 5G  is  ab ou de ns ific at ion  of  sm al cells  a nd   the  ex plo it at io of   s patia r e us of   sp ect r um   to  m eet   the  high  nu m ber   of   us e rs,   m achine  an se rv ic es  [ 7] UDNs  boos ca pacit and   e nh ance  c ov e rag with  lo w - c os and   powe r - e ff i ci ent  inf rastr uc ture  in  5G  net works.   5G   UDN  de pl oym ents  are  e nv isa ge to  be   heteroge neous   and   de ns e pri m aril throu gh  the  prov isi on i ng   of   sm a ll   cells  su ch  as  pic ocell and   fem tocel ls.  In   UDN,   us ers  ca be  within  the  vicinit of   m ulti pl cel ls,     wh ic i m plies  high  interfe re nc es  if  no m an aged   [ 8] I ad diti on   to  inter f eren ce  iss ue,   UDN  will   m os li kely  face  the  pro bl e m   of   redu ndant  s m a ll   cell s,  SCs  ene rg y   con s um ption ,   and   li m it ed  backha ul  capa ci ty Ther e f or e,  t he re  is  need   to  do   e xtensi ve  r esearch  i nto   5G  U DN   e nerg con s um ption   and   it   backh aulin so luti on  [9] Air ports,  op e gathe rin g,   ca m pu se s,  apa rtm ents,  m a ll rail   sta ti on ar exam ples  of  place s     wh e re  5G   U D is  ex pecte to  be  de plo y ed  [ 10] Ta ble  c on ta in th pro per ti es  of  U D com par ed  t   the pre vious  ne tworks .       Table  2 . U DN  pro per ti es in  c om par ison   to  ol der   netw orks   [ 11 ]     Tr ad itio n al  Netwo rks   Den ser Ne t wo rks   Ver y  Dens Netwo rks  VD N   Ultra - Den se  Netwo rks  UD N   Period   Bef o re  2 0 1 4   2015    2 0 1 7   2017    2 0 2 0   Beyon d  20 2 0   Su b scrib ed  data   1  GB /  m o n th     5  GB /  m o n th     1 0  GB /  m o n th   20  - 5 0  GB /  m o n th   Mini m u m  us e th r o u g h p u t   4  M b p s   8  M b p s   1 0  M b p s   10    2 0  M b p s   Sp ectru m   2  x 1 0 0  M Hz   2  x 1 2 0  M Hz   2  x 1 4 0   MHz   2  x 1 6 0  M Hz   Site /  K m 2   7  sites   2 1  sites   2 6  sites   9 3  sites   Inter Site  Distan ce  I SD   3 9 5   m   2 3 7   m   2 0 9   m   1 1 2   m       Ther a re  nu m ero us   bac khaul  te chnolo gi es  (w ire a nd  wireless a vaila ble  f or   backha uling    the  te le com m u nicat ion   netw orks Acc ordin to  Ron y   et   al [12] bac khaul  is  th li nk  betwee one  Ba se  Stat ion /e N ode   (BS/eNB)   to  ano t her.  Also i the  c entrali zed  a ppro ac h,   i.e.  Ce ntrali zed  ra dio  acce ss  netw ork  (CR AN),  backha ul   connects  bas eband  un it   (B BU)  a nd   the  cor netw ork.  Additi on al ly ,   in  5G  netw orks,   bac khaul  will   carry   la rg am ount  of   tr af fic  to/fr om   the  cor net work  w her e   bo th  distri bu te r adio   acce ss  netw ork  ( DR AN)  (R AN   processin is  distribu te to  BSs),  an CR AN   co - exis t.  Ba ckh a ul   in  5G   is  exp ect e to  ha ve  low  la te ncy   and   lo powe consum ption   [13] Dif fer e nt   te chn ol og ie ha ve  bee co ns i der e d   for  5G  bac kh a ul  to  be  a ble  to  m eet   the  re quirem ents.  Eac of  t hese  te ch no l og ie ha ve  their  ad va ntag es  an disad va ntages.   Broa dly  bac khaul  so l utio ns   c an  be  di vid e into  wired  an wireless  s olu t ion s   [ 12 ] Wir ed  s olu ti on s   hav e   do m inate t he  backha ul   netw ork   in  t he  past  w hen  the  base  sta ti on  was  m ajorly   m acro   base   s ta ti on   (MBS).  C oppe an Fib re  op ti cs  are  the  two  popula opti on for  wi red   backha uling.  It   is  ho we ve be li eved  that  copper - ba sed  so l utio will   no be  a bl to  serv as   backha u for   5G   a nd   beyo nd   due  to  it lim it ed     capaci ty   [14] .   This  is  no issue  with  fibre  op ti cs  as  it   has  high  cap aci ty low  la ten cy   wh ic ca m ee   the  qu al it of   serv ic e   ( Q oS requirem ent  of  5G   an bey ond.  High  co st  of   dep l oym ent   and   scal abili ty   are     the  m ajo iss ue associat e with  fi br e   opti cs  base bac khaul  so l utio n.   I order  to  a ddr ess  these  iss ue s,  the re   has  been   e volu ti on   of  passive   op ti cal   net wor ( PON)  te c hnology  to  im pr ove  the  perf or m ance  of  fibr ba se so luti ons   [ 15, 16]   W i reless  so l ution   has  rece ntly   gaine at te ntion   as  m any  research es  [17 - 20]   reco gniz ed  it   as  po s sible   viable  op ti on  for  bac kha ulin 5G  a nd  bey ond.   Asi de  th pr ese nt  s ub   G Hz  a nd  m ic rowav fr e quency   pr ese ntly   in  use othe higher   fr e qu e ncies  w irel ess  opti ons   wh ic prov i de   la rg e li nk   c apacit bu a re   ver y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  11 , No 1,   Febr uar 2021    390   -   40 1   392   vu l ner a ble  to  env i ronm ental  eff ect will   be  gr eat ly   exp lore d.   F or   inst ance,  m m W av op erati ng   in   three   diff e re nt  bands 60   GH (V - ba nd),   70 / 80   G Hz  (E - ba nd)  ha been   descr i bed   as  a at tract ive  op ti on  f or  fu t ure   wireless  backh aul  an ac cess   netw ork  te ch nolo gy,  as  it   off ers  ve ry  la r ge  capaci ty   (up  to   10G bps)  c ompar e to  ot her  wi reless  opti ons  [19] A pa rt  f ro m   env i ronm ental   l os ses,   m os m m W aves  ba nd  al so   re quires   li ne  of   sigh t   (L OS )   [ 21] .   Find i ng  an  e ne rg e ff ic ie nt  and  en vir on m ental ly   fr ie ndly   (gree n)   s olu ti on s   f or   prese nt   and   f utu re   te le com m un ic a ti on   net wor ks   is  on of   t he  m os i m po rtant  con ce pt  to  r esearch  on  no acco r ding  to  [ 22 ]   The  pr ese nt  ge ner at io n,   fift ge ne rati on  ( 5G)  is  bu il on  gree co nce pt.  T her a re  effor ts  [23 - 29]   from   researc hers  to   m ake  5G   greener  th an  the   pr e vious  net works  des pite  increase  in  de ns ific at io an dat a     rates   [ 30 ] For  5G   an beyo nd  to  be   m eet   i ts  energy  ef fici en cy   exp ect at io ns,  both   the  acc ess  an the   bac kh a ul   par ts  of  the  netw orks  m us be  carefu ll y   desig ned   a nd  op e ra te d   [ 31] Partic ularly choosin the   righ t   te chnolo gy  to   achieve  the  best  res ult  in  te rm of   energy  eff ic ie ncy  and   powe r   co ns um ption   is  an  op e pro blem   wh ic needs  m or ef fort  m os especial ly   wh en  it   com es  to  5G   UDNs  whose  backha ul  will   be  ve r y   com plex  due t o hig h nu m ber   of sm all cell s   [32]   In   res pons e   to   the  e nv i ronm ental   chall en ge   t hat  com es  from   the  e m issio ns  of  t he  m ob il netw ork ,   m any researc he [30,   33 - 35]   hav bee do ne  in  orde to m ake th netw ork  m or e env i ron m ental ly  f riendl y and   energy  eff ic ie nt.  Wh il ther are  diff e re nt   ways  to  achieve  gr ee ne twork Tom baz  [36]   was  one  of     the  le adin au thors  w ho   a r gued  t hat  bac khaul  power   c onsu m ption   c ontribu te sig nifi cantl to  the  ov e rall   powe co nsum ption   a nd  ene r gy  eff ic ie ncy  of   the  m ob il netw ork.   Si nc e,  there  has  been   m any  back ha ul  so luti ons  [ 36 - 38]   for  diff e ren ge ner at io ns   of  the  m ob il network   us i ng  dif f eren te c hnol og ie s .     Tom baz  et   al [36]   pro ved   th at   backhau ha sign ific a nt  im pact  in  the  ov erall   powe c on s um ption   an ene rgy   eff ic ie ncy  of  the  net work.  T hey  pro po s ed  Op ti cal   Po i nt - to - po i nt  Ether net  bac kh a ul  so luti on  f or   t he   3G  UMTS  net wor ks T heir  so l ution   s howe i m pro ved   gr ee perform ance  of   the  netw ork.   Their  s olu ti ons   were   base on  3G   ne twork  a nd  aft er  the  em erg en ce  of   4G  ne tw ork  the re  was  need   t get  bet te bac kh a ul  s ol ution s   to cope  with t he  co m plexity  o the  n e w netw ork.    Tom baz  et   al [39]   f ur t he r   as sessed   the  im pact  of  bac khau on  the   overal energy  c onsum pt ion   of     the  cel lular  ne tworks  us in di ff ere nt  data  traff ic   re qu irem ents  from   20 14  to  2020.  T he pr opose th r ee  (3 backha ul  arc hi te ct ur es  us in three   ( 3)  dif f eren te c hnologies  (c oppe r,  fibr e   an m ic ro wa ve ).   T w (2)  of    the  pr opos e arc hitec tures   are  hybri there by  m a king  us of  two  te ch no l og ie sim ultan eo us ly .     Fibr e - to - the - no de  ( FTT N)   us i ng   V DS L 2,   M ic rowav O nly  and   Fib re - to - t he - B uildin ( F TTB)  Mi cr owave  are  their   th ree  (3)  arc hitec tur al   i m ple m entation s T heir  res ult  showe t ha backha ul  can   be  re spo ns ible  for  up  to  50%  of   t he  powe co nsum ption  on  the   ne twork T he  hy br id  bac kh a ul   m ade  up   of   F ibre - to - t he - B uildin (F TTB ) op ti on  and m ic ro wa ve  li nk s  h a d bett er  perform ance co m par ed  to  t he othe a rc hit ect ur es.     Su a rez  et   al .,  [ 37 ]   st ud ie e ne rg e ff ic ie ncy   of  bac khaul  i heter og e nous  netw ork T he propose two  ( 2)   hy bri bac kh a ul  ar chite ct ur es:   Fi br e - to - the - buil ding  (F T TB)  10Gbps  pas sive  opti cal   network  (10GPO N te chnolo gies  an FTTB  m ic rowav e Thei a naly ses  wer ba sed  on  Ar ea  Power  C on s um pt ion   [ W / km 2].  Their  resu lt   showe that  th two  pro po sed  arc hitec tu res  ha bette perf or m ance  than    the conv e ntio na l backhaul in t erm s o area pow e co nsum ption   [ W/ km 2].  Mowla et al [ 38]   pr ese nte en erg y - eff ic ie nt  com m un ic at io m od el   fo 5G  heter og e ne ous  netw orks  ( HetNets) They  consi de red   both  acce s an backha ul.  T he inv est igate powe co nsum ption   of  va rio us   bac kha ul   de sign s the pr opos e tw ba ckh a ul   so luti ons.   W i r ed  passive   opti cal   netw ork  ( PON a nd  wireless   V - ba nd  m i ll i m et r wa ve  (m mWave ) .     The  pe rfor m ance  evaluati on  was  done  th r ough  sim ulati on   us ing   netw ork   si m ulator  (N S - 2).  They  s howe how  t c onnec passive   o ptica netw ork  un i ts/ te r m inals  with  5G  acce s un it t re duc the  ov e rall   powe consum ption  in  the f irst s olu t ion . T he  sec ond  so l ution  inte gr at e m m W ave b ac kh a ul un it s w it 5G  SC unit to  reduce  po wer   co nsum ption Ba c kh a ul   power   co nsu m pt ion   in  W a tt   and   Ba ckh a ul  Energy  Ef f ic ie ncy     Mbp s/  Watt   w ere  the  perfor m ance  m e tric us e d.   T he  re s ult  rev eal e th at   their  so l utio can   save  up  to  48%  powe co nsum ption.  T heir  s ol ution outpe rfor m ed  the  pre vious  s olu ti on  in  te rm of   po wer   c onsu m ption   a nd  energy ef fici en cy   I t his  pap e r,   we  hav e   eval ua te al this  s olu ti on  in  t he  pre  5G  netw ork  scenari to   det erm ine  wh ic is  best  of  the   existi ng  gr ee backha ul  s ol ution s F ur t he rm or e,  we   a na ly sed  the  pe rfor m ance  of  t he   best  so luti ons  in  5G  U DN   sce na r io  thr ough  sim ulati on   in  M A TLAB  us i ng  an  im pr ov e 5G   m od el   and   al gorithm .   This  is  to  dete rm ine  if  the  be st  two  s olu ti on ( gi ga  passive   op ti cal   net work   (GPO N an V - band  m il l i m et re   wav (m m W ave) are  well   su it ed  to  ser ve   as  green  ba ckh a ul  s olu ti on  f or   5G  U D net wor k.   W hav e   pr ese nted  the  m od el   and   i m pro ved   al gorit hm   in  s ect ion   and   the  sim ula ti on   desc riptio in  s ect ion   3.     Sect ion   c ont ai ns  t he  r es ult  and d isc us si on  wh il e s ect io n 5  h as  the c oncl usi on s  fro m  the  analy sis.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       GPO N  an V - band  mm W ave  in gree n ba ck haul s olu ti on f or   5G u lt r a - de ns network  ( Ayod ej i Ake e m Aj an i)   393   2.   PROP OSE D MO DEL   This  sect io presents   the  a ppr oac us e f or  this  researc h.   It  incl udes  the  re quirem e nt  an al ysi s ,   def i niti on   of c on ce pts a nd to ols, per f or m ance p a ram et ers  and m et rics as w el l as  def init i on of sce na rios.     2 . 1.     5G  UDN  mod el   This  sect io co ntains  the  der i vations  of  the  m at he m at ic a op t im iz ation   pro blem   to  m ak UDNs  m os t   energy  ef fici ent  with out  losi ng   t he  e xp ect e qual it of   s erv ic (QoS Re qu irem ent.   The  5G   U DN  m od el  pro po se he re  consi st  of   central  m acro   base  sta ti on   (MBS)  an seve ral  ran dom ly  distrib uted  Sm al l   cel ls.   The  c hoic e of  t his  pap e r for s m al l cel l i s p ico cel ls beca us e   we  a re investi ga ti ng  a n ou t do or scena rio .   The follo wing  set  o f  notat io ns has  b ee a dopt ed  in t his  pap e r:   as  set  of  Q f or a  5G m ulti - t ie Heter ogen ous  Netw ork, i ndex  q.   J as set  of J S C N base stat io ns, in dex  j.   T as set  of T T raffic  class, i ndex  t.   as  set  of  U Users , inde x u.   The  e ne rg e f fici ency  of  t he   ultra  de ns ne twork   (       +  with   res pect  to   the   acce ss  a nd  ba ck ha ul n et w ork  ca n be  giv e in   ( 1)     , , 1 1 A N + B H H e t N e t   U D N A N + B H H e t N e t   U D N   E E = QJ qj qj d P        (1)     wh e re  , , 1 1 ,   ,     Q J qj qj qQ d jJ     is  the  total   data  rate  by  eve ry  base  sta ti on A N + B H H e t N e t   U D N P   is  the  total   power   consum ption   of  the  netw ork  includi ng  po w er  co nsum ed  by  both  acce s an ba ck ha ul   netw ork.   T he   total  powe co nsum ption   ( A N + B H H e t N e t   U D N P is t he  s um  o powe c on s um ption of MB S ( P MBSTotal)   and  SCs  ( P S CNTotal and   this is as  def i ne in  (2)     M B S T o t a l S C N T o t a l A N + B H H e t N e t   U D N P PP    (2)     Since UDN  is heter og e nous  i natu re,  q   > 1 ,  the MBS exist  at  q   = 1  an the SCN  is at   q   =  2 q     Q Fo r   q   1 (MB S) .     P MBSTotal  P MB SAN + P MBS BH   (3)     wh e re  P MBSAN   is  the  po wer  consum ption   of   t he  acce ss  netw ork  f or  MB (as  def i ned   i ( 4),  P MBSBH   is     the po wer co nsum ption  of t he back ha ul n et w ork for MB (a s d e fine in   ( 5 ) ).   P MBSAN   has  both  fixe a nd   l oad   de pend e nt   par am et ers.   T he  fi xed   powe co nsum ption  is  the  total   powe co nsum ed  by  the  MB irres pecti ve  of   w hethe the re  is  data  t raffic   or  not.  On  th oth e hand,  the  lo a dep e ndent  c on su m ption   de pe nd on  the  para m et ers  of   the  traff ic   bein pa ssed  a nd   t his  is  us u al ly   in  a dd it io to the fi xe d.      f i x e d M B S A N M d y n a BS m i c M B S t x PP P    (4)     wh e re  f i x e d MBS P   is  the   fi xed  po wer  co nsum ption M B S   is  t he  loa de pe ndent  pa ram et er d y n a m i c tx P   is  the  dynam ic   powe r of   base   sta ti on , it i de fine as    Fo r  the  MB ba ckh a ul  wh ic h usin P O N,  t he  pow e c onsu m ption o t he b a ckh a ul is as  g i ven is  ( 5).     M B S u l S F P + M B S B H     o g g P N P N P N P                  (5)     wh e re  MBS N   is  th n um ber   of  MB S,  P o   is  the   po wer  co nsum pti on  of  a O N U N g   is  t he  num ber   of  G PON   port  in  an  OL T,  P g   is  the  po we co nsum ption   of   the  G PON  port,  N ul   is  the  nu m be of   upli nk  interface,     and  P SFP+   is t he  pow e c onsum pt ion   of SF P + m od ule.   Fo r   q   =   2,  (S C N) ,   we  a dopte P SCNAN   as  t he   pow er   co nsu m pt ion   of  the   acce ss  netw ork   f or  SCN   a nd   P SCNBH   as  the pow e co nsum ption  of the back hau netw ork  f or  SC N.  T he  to ta po we co nsum ption s of SC is   def i ned in  (6) while   P SCNAN  and  P SCNBH  are d efi ned in  ( 7 )   a nd  ( 8 )   res pecti vely   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  11 , No 1,   Febr uar 2021    390   -   40 1   394   S C N T o t a l S C N A N S C N B H P P P    (6)     j , f i x e d j , d y n a m i c S C N S C N S C N S C N A N ,tx   s PP P H      (7)     P SCNBH    =    { ( ,  +   ,  ) ,                                                                  ,                                                                                                                                               (8)     wh e re  j , f i x e d S C N P   is  the   fi xed  po wer  co nsum ption   of  S CN,  j     J H s   is  the   traf fic  l oad  f or  SC (this  is  e qual   to   zero  in  sle e m od e),  S C N   is  the  slop e   of  loa d - dep e ndent  po wer   co nsum pti on,  j , d y n a m i c S C N , t x P   is  the  tra nsm issi on   powe f or   the  SCN  ( picocell   21   dBm ),   b h , f i x e d k m P   is  the  fixe po wer   c onsu m ption   of   eac SC m m W ave   backha ul  li nk , bh,t x k m P   is  the  loa de pe nd e nt  ra dio  f r equ e ncy  tra nsm it   po wer  co nsum ption   of  th SCN  m m W a ve   backha ul  li nk P o   is  the  po wer  co ns um ption  o a O ptica Netw ork  Un it   ( ONU)  an N SC N - ONU  is  the  nu m ber   of  li nk in g betwee the  SC a nd  the ON U.   Eq uation  (1)  c an  be  m od ifie to  m ini m iz a t ion   of   powe consum ption   i ns te ad  of   m axi m iz ation   of     the  energy  ef f ic ie ncy.  This  is  to  av oid   f racti on al it in  the  optim iz at ion   prob le m This  is  po s sible  acco r ding  to   equ at io wh e r it   can  be  in ferred  that  if  the  ex pected  data  rate  is  be ing   delivere d,  m ini m izing   powe r   consum ption   will   resu lt   in  m axi m iz ing   EE.  Th us,  pro bl e m   fo rm ulati on   to  m ini m iz powe co nsum ption   is  as   giv e in  (9)     Mi ni m iz      +  =     P MBS f ixe d     + Δ MBS . P tx dy n a mic    +   +     +      ,    +     .        .  ,  ,    + *P SCNBH     (9)     *P SCNBH  can  as su m ta ke  two  def init io ns   de pendin on  w hethe m m W ave  or  PON  is  bein us e d.  This  ( 9 )   ca n be  fur the sta te as  ( 9a) w hich   m ake u se  of m m W ave a nd  ( 9b)  whe P ON is use d.     Mi ni m iz      +    =   P MBS f ixe d   + Δ MBS   P tx dy n a mic    +   +     +      ,  +   .        .  ,  ,    ( ,  +   ,  )     (9 a )     Mi ni m iz      +  =     P MBS f ixe d   + Δ MBS   P tx dy n a mic    +   +     +      ,  +     .        .  ,  ,        ( 9b)     Subj ect  t     m a x t x , q j t x ,       ,     ( , ) uU P u P q Q j J       (10)     qj 0 ,1 ,       (   , , ,   )    t u U t T q Q Su jJ   (11)     qj 11 1 ,     ,   ,     TJ t tj u U q j S QJ        (12)     th qj 1                  ,   T t t u U t T qQ u u S u jJ         (13)     q j q j 11         , q j < q j    TT tt tt S u S u U q J u Q j         (14)     qos q j q j    ()   ,   )   (, , u U Q u qj u J       (15)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       GPO N  an V - band  mm W ave  in gree n ba ck haul s olu ti on f or   5G u lt r a - de ns network  ( Ayod ej i Ake e m Aj an i)   395   S C N S C N 1   1 ,   ,     , J j j r mm j W N W W q q Q j J     (16)   Eq uation  ( 10)   ens ur e the   m axi m u m   transm issi on   po wer   is   with   the  m axi m u m   value  ( m a x tx P ).    The   m ax i m u m   val ues  f or  M BS  an pic oce ll are  41  dBm   an 21   dBm   r especti vely .    ( u )   re pr ese nts   us e r’ s   associat ion  to a  p arti cular bas e stat ion  j  at ti e in (11).  T his takes b ina ry v al ues  0’ o 1’  w it ‘1’  w he us e r   is ass ociat ed   with  par ti cula r base stat io n q,j  w it t raffic  ty pe  or 0 ot herwise.    Eq uation  ( 12)  ens ur es   that  a u ser   is  c onnect e to   si ng le   ba se  sta ti on  at   a in sta nce.   E quat ion  ( 13)   is   respo ns ible  f or  m aking   su re   us ers  are  c onnect  wit par ti cula Sig nal  to  In t e rf e r ence  to  N oise   Ra ti o     (S I NR,   ( ) val ue   w hich   great er   tha the   th res ho l S I NR  ( ) Eq uation  ( 14)   is  for  us e r’ s   as so ci at ion  to  the  near est   ba s sta ti on Eq ua ti on   ( 15),   is  to   ensure  the  Q oS  requirem ent  is  m et  by  the  a chieva ble  dow nlink  thr oughput  f or   us er  (  ( ) )   is  gr eat er  tha or  eq ua to  the  le ast   achieva ble  dow nl ink   th rou ghpu fo us e r   wh ic m eet s the QoS   re qu ire m ent o f  the  us e r   ( η  ( )  )   E quat ion   (16 ens ur es  that  th assigne bandw i dth   (  to  N um ber   of   SC N need e (  is   gr eat er  t han   or   at   le ast   equ al   to  t he  e xcess  band width   require d.   The  e xcess  ba ndwidt re qu ired  is     the  dif f ere nce  betwee the  t ot al   bandw i dth   require ( a nd  the  ba ndwi dth  of   t he  MB ( ).  This  m od el   has  in cl uded  bac kh a ul  powe r c onsu m ption   f or  ea ch o the  s olu ti ons i the  pro blem  f or m ulati on  unli ke  t he  one  adopted  by  [ 38] This  is  part ic ularly   i m po r ta nt  in  U DN   s cenari o.   T s ol ve  the  prob le m   in  (9 ) we  use a i m pr oved  5G  UDN  e nerg y e ff ic ie nt  al gorithm .     2 . 2   Impr ove d 5G  UDN  e n ergy ef fici enc y alg orithm     An  al gorithm   to  s olv t he  prob le m   in  ( 9)   i prese nted  he re.  T his  im pr oved   al gorithm   is  to  al lo w   m at he m at ic a s olu ti on  pro gra m m ing   in  MATLAB.  T his  al gorithm   al so   e xp at ia te on  how  the  a ddit ion a nd   pu tt in to  slee p of SCs a re  be ing   done .     Algori th m Im pro ved 5G  UDN  E nergy E ff ic ie ncy   1:    Input Se of   us er s, uU se of   tr af fi cl as s,   tT Se ts   of   5G   mu lt i - ti er   Heterogenous Network,  q ϵ Q;  Set of Small cell base stations,  j ϵ J   .   2:    Output Se of   ac ti ve   SC Ns   me et al l   th co ns tr a in ts   in   Eq ua ti on (1 to   16 an d   fulfils the optimum value for Equation (9):  S C N ; ( ) j J N n J    3:    for   each hour of the day,    01, 02, …, 24  do   4:       while   the set of users is not empty:  U    do   5:    User  u   ca lc u la te th SI NR   qj () u   fr om   ea c SC or   MB S   th en   as so ci at es   to   th SC or   MBS q,j that satisfies  th qj ( ) ( ) uu    based on QoS   requirements.   6:       end while   7:      Calculate  r m W   (total required bandwidth)   8:       if   r mm WW   (MBS available bandwidth/spectrum)  then   9:   for   each SCN  jJ   do   10:                SC N 0 j N   (all SCNs are turned to sleep mode)   11:   end for   12:   Handover all users to the MBS   13:    else   14:   Calculate  r e m m W W W      15:       Set of SCNs is empty:  J  S C N () N n J ;   16:   Com pute total power consumption model  P SCN   for all SCNs.   17:   Add the SCN q,j that gives the minimum  P SCN   to the set:  J J q j  S C N () N n J ;   18:   Us in th cu rr en se of   SC Ns   c om pu te   th cu rr en ne tw or po we co ns um pt io n   A N - B H H e t N e t   UDN P   subject to the constraints   19:   while  S C N S C N 1 J jj e j W W N   do   20:   Temporarily add next SCN q,j with the lowest  P SCN   to the set:  J J q j  () S C N N n J ;   21:   Us in th c ur re nt   se of   SC Ns   J ,   co mp ut te mp or ar ne tw or po we c on su mp ti on   A N - B H H e t N e t   UDN ( t e m p ) P   subject to the constraints.   22:   if   A N - B H A N - B H H e t N e t   U D N H e t N e t   UDN ( t e m p ) PP   then   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  11 , No 1,   Febr uar 2021    390   -   40 1   396   23:       Ac ce pt   th SC as   be ca us it   ha no in c re as ed   th po we co ns um pt io of     the network    A N - B H H e t N e t   UDN P   A N - B H H e t N e t   UDN ( t e m p ) P     24:   else    25:   Reject the S CN because i t has increa sed the powe r consumed b y the networ \ J J q j S C N () N n J ;   26:   end if   27:   end while   28:       end if   29:    end for     This  al gorithm   ens ur e the   a dd it io of  sm a ll   cel ls  wh e re  need e with ou com pr om isi ng   the   power  consum ption   of  the  netw ork  and  m akes  othe SCs  sle e w hen  not  re quire d.   T he  sim ulatio of  the   so l ution   i s   done  i M ATL AB.       3.   RESEA R CH MET HO D   Si m ulati on   des cripti ons  are  presente he re,  wh ic inclu des   the  ch oice  of   par am et ers,   pe rfor m ance   m et rics and  t he  d esc riptio n of  the sce nar io s.       3 . 1   Sim ulat i on   of 5G  UDN   The  stu dy  involve dif fer e nt   backhau s olu ti ons  us in a vaila ble  te chnolo gies  in  5G  ver dense   netw ork VDN   and   UDN  sce nar i os Th ere f or e the  resea r ch  re qu i red   de sign   of   5G   VDN  an U D sc enar i os   and  this  was  s i m ulate in  MATL AB.  T he  si m ulati on   dec isi on   is  in sp ir ed  by  w ork  re viewe [36 - 39]   an recent stu dy in  5G  UDN   [ 32, 40 - 43] .   The  c hoic e o sim ulatio is becau se 5 G UDN is sti l l evo lvin an d do i ng  a li ve  ex pe rim ent w a no t a va il able.   The  sim ulati on  pa ram et ers  use fo ll ows   the  work  of  [ 38 ] .   The  norm al ised   hourl traf fic  pro file   f ro m   ci sco  was  use to  this  eff ect   as  pr ese nted  in  Figure  1.   The  perform ance  m et rics  us ed  a re  powe co ns um ptio in  W at ts a nd e nergy ef fici enc y i Mb ps / W at t.   The  full  sim ulati on   pa ram e te rs  are  as  giv e in   Ta ble 3.       Table  3 Sim ul at ion   p aram et e rs   Para m eters   Para m eters  Desc ri p tio n   Valu e   f c   Access Net wo rk C arr ie Fr eq u en cy   2 .0 GHz   W m   Macr o - ti er  sp ect rum   1 0  M Hz       Dy n a m i c po wer  of   m ic rocell b ase sta tio n   4 3  dB m   ,  ,    Dy n a m i c tr an s m is sio n  po wer  f o f e m to cell   1 7  dB m       Fix ed  po wer  co n su m p tio n  of   m ic rocel l bas e statio n   1 3 0  W   ,     Fix ed  po wer  co n su m p tio n  of  f e m to cel l   4 .8 W   m   Load - d ep en d en t Par a m e ter   4 .7   ∆s   Slo p e of  load - d ep e n d en t po wer  co n sum p tio n   8   Sp ectru m   Allo cati o n     Partition ed   Tr af f ic M o d el Cap acity     Fu ll Bu f f er   Env iron m en t     Su b - u rban       Maxi m u m  nu m b er  of  do wn lin k  interfac e   24   Α   W eig h tin g  para m e ter   0 .9       /       /       Maxi m u m  po wer c o n su m p tio n   o f  switch  /  Po wer  con su m p tio n  of  on d o wn lin k  interf ace  /  Po wer  con su m p t io n  of  o n e up lin k  i n terface   3 0 0  /  1  /  1  W   P m o d e m   / P DS L A     Po wer  co n su m p t io n  of  VDSL 2   m o d e m /  D SLA /  Fibr e switch   5  /  8 5  /  3 0 0  W   P SFP   / P S FP +   / P lo w - c   /  P h i g h - c   Po wer  co n su m p t io n  of  SFP  m o d u le /  SFP+  m o d u le /  L o w /  Hig h   p o wer  co n su m p tio n  r eg io n  of  a  m icro wav e anten n a   1  /  1  /  3 7  /  9 2 .5  W       /       /   g   /   P o   Maxi m u m  po wer c o n su m p tio n  of  GE S /  Po we co n su m p tio n  o f   m i crowav e  switch   / Power  co n su m p ti o n  of   OLT  /  Po we r   co n su m p tio n  of  ONU   5 0  /  5 3  /  2 .9 / 5  W      /       /       /      /      Nu m b e o f  po rts per DS LA switch   / Fibre swit ch  /  G E S /  sp litter  m i crowav e  switch   1 6  /  2 4  /  1 2  /  2 4  /   16   Ag m ax          Maxi m u m  tr af f ic s witch  can han d le /  Maxi m u m  tr an s m i ss io n  r ate of   th e interf ace  Max i m u m   capacit y  of  m i crowav e  switch     2 4  /  1 0  /  3 6   Gb p s       W m k   Back h au l f requ en c y  us in g   m m W av e   /  Back h au l link  bandwid th   6 0  /  1 .76  GHz   D   Leng th  of  eac h  back h au l link   1 0 0   m   L / L Po   / L i /  L sh   /   L a   Tolerable p ath lo ss  /  Path  los s at 1  m  d istan ce /  i m p l e m en tatio n  los s /  Sh ad o win g  los s /  Atten u atio n  los s   1 0 8  /  6 8  /4 / 1 /  3 .2 d B       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       GPO N  an V - band  mm W ave  in gree n ba ck haul s olu ti on f or   5G u lt r a - de ns network  ( Ayod ej i Ake e m Aj an i)   397   The  ch oice  of  adoptin norm al ise hourl l oad   tra ff ic   is  to  m ake  the  stud easi ly   adap ta ble  to  oth e r   sit uations T hi m eans  diff er ent  stud can  us this  with out  necessa rily   us in the  am o un of  traf fic  use he re  or eve n wit h di ff e ren hourl y prof il e.            Figure  1. N orm al ise t raf fic  l oad   hourl y p r of il [ 2]       3 . 2   Des cri pt i on   of the  simu lation  scen ari os   Ther e   are   se ts  of  sce nar i os  i m ple m ented  her e T he  first   set   is  the   re pro duct ion  of  t he  s olu t io rev ie wed   i V ery  De ns Net work  scena rio  us in eac of  t he  s olu ti ons  hi gh li ghte in  S ect ion   1.  T his  is  for   ver ific at io an validat io pur pose.  T he  ot her   set   is  to  te st  the  best  so luti ons  in  the  U DN   sce na rio  to   evaluate  their   perform ance.   The  sce nar io   is  m od el le after  an  outd oor  sit uatio li ke  pu blic  con ce rt ,     sp ort   sta diu m transpo rtat ion  hub  or   a ny  oth e la rg ga therin w her e   the  tho usa nd   us ers  re quire   high   band width si m ultaneo us ly     3 . 3   Perf orm ance   metric s   The  perf or m ance  m e tric us e a re  power  c on s um ption   i W at ts   per   nor m al iz ed  hour l traff ic   for   each  of the s ol utions   a nd en e r gy ef fici ency i Mb ps / Watt .       4.   RESU LT S   A ND  DI SCUS S ION S   The  re su lt of  t he  sim ulati on   are  bei ng   pr e se nted  in  t his  sec ti on   as  well   as  the  detai le discuss io of  the r es ults.     4 . 1.     Res ult  of  existin s olut i on in  5G  VDN   The  re viewe so luti ons  we re  i m ple m ented  i VDN  net wor for  ve rificat ion   a nd   vali dation  purpose .   The res ult of th e sim ulatio is  as prese nted  i n Fi gure  2 an F igure            Figure  2. G raph  of powe c on su m ption   of  t he  b ac kh a ul s ol utions    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  11 , No 1,   Febr uar 2021    390   -   40 1   398   V - ba nd   m m W ave  an PON  so luti on  ha the  le ast   power  con s um ed  com par ed  to  othe so luti ons .   This  is  beca use   there  ar com po ne nts  suc as  Ethe r ne switc h,   fi br e   switc h,   DS L   acce ss  m ult i plexe r ,   m ic ro wa ve  sw it ch,   Giga bit  Ether net  switc in  the  pr e vi ou s olu ti ons   respo ns ible  f or   thei high - powe consum ption Con si der i ng   e nergy  eff ic ie nc y,  wh ic is  the  data  rate  per   power   c onsu m ed,   hi gh  power  consum ption   of  bac khaul  s olu ti on   will   resul in  low  ene r gy   e ff ic ie ncy  an lo data  power   c onsu m ption   will   m ean h ig e ne rg y e ff ic ie ncy  as sho wn in Fi gure  3.           Figure  3 .  Grap h of  e ne rg y e ffi ci ency of the  backha ul s olu ti on s         Si m il ar  to  power   c onsu m ption   gr a ph,  V - ba nd  m m W ave  an PON   so luti on  had  the  bette r   perform ance  in   te rm of   e nerg eff ic ie ncy  c om par to  ot hers.  T his  m ean  the  tw so l utio ns   a re  well   s uited  for   the  scena rio.   T he  te ch no l og ie e m plo ye ha sim il ar  tim eline  with  the  ne twork  dep l oyed  in.  T her e fore it   is  i m per at ive  to  te st  the  best  s olu ti on  in  t he   ne netw ork   scenari o,   UDN  to  e valuate   it   per f or m ance  for   su it abili ty . Th e  r es ult o this e valuati on is a pr ese nted  in Se ct ion   4.2 .     4 . 2.     Res ult  of  th e b est tw o s olut i on (GP O N and  V - Ba n d mmW ave)  in 5G  VDN an d UD scen ar ios   The  P ON   a nd  m m W ave  so lu ti on   was  s im ul at ed  in  U D s cenari an w as  com par ed  t the  VDN  scenari perf orm ance  pr ese nt ed  in   4.1 Fi gure  an Figure  sho t he  powe c on su m ption   a nd  energy  eff ic ie ncy  gr a phs  of the t wo s olu ti ons i n bo t h VDN a nd  U DN scen ario s respect ively .           Figure  4. G raph  of powe c on su m ption   of   P ON an m m W ave in   V DN an d U DN       Figure  5. G raph  of powe c on su m ption   of   P ON an m m W ave in   V DN an d U DN       As  rev e al ed  i Table   2,  the   data  rate,   nu m ber  of  us e rs  a nd  sit es  in   U DN  are   great e tha t hat  of    the  VDN.   T hus,  there  is  an  in crease  in  the  powe co nsum e by  the  so luti on to  deliver  t he  increase da ta   rate   there by  le adin to  dro in  en erg ef fici ency  as  sh own  in  F igure  5.   H owe ver,  UDN  net work   is  ex pect ed  to  be   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       GPO N  an V - band  mm W ave  in gree n ba ck haul s olu ti on f or   5G u lt r a - de ns network  ( Ayod ej i Ake e m Aj an i)   399   gr ee ner  tha VDN  [44]   tha is  le ss  powe co nsum ption  an hi gher  e nergy  ef fici en cy Th us t his   open     resear ch  a rea   to  in vestigat ot he te ch nolo gies  li ke  NG - P ON  a nd  E - B and  m m W ave  in  U D sce nari to   know if  they c an deli ver the  desire d per for m ance.       5.   CONCL US I O N     GPON  a nd  V - band  m m W ave   backha ul  so l ut ion wer in ve sti gated  in  5G  U D scena r io .   T he  res ult  rev eal e that   GPON   an V - ba nd  m m W ave  s olu ti ons   ou t perform ed  oth e e xisti ng  so l ution s   in   V D N   scenari os but  the  pe rfo rm ance  dro pp e in  U DN   sce na rio  t her e by  le adin to  sug gestio of  in vestigat i on   of   oth e te ch nolo gies  in   order  to   achie ve  gr ee ne perform ance  in  5G  UDN   sc enar i o.   Furthe r   res earch  is  on go i ng  on   in vestigat io of   NG - P ON  and   E - Ba nd  m m W ave  sol ution in  ser vi ng   as  gr e en  ba ckh a ul  so l ution   f or     5G UD N.       ACKN OWLE DGE MENTS   Sp eci al   apprec ia ti on   to  Africa U nion  Com m issi on   for  spon s ori ng  the  re search Japa I nter nationa l   Cooperati on  A gen cy   (J ICA )   as  well   as  t he   sta ff  of  P A N   Africa U nive rsity   In sti tute   f or   Ba sic   Scie nces   Tech no l og a nd   Inn ovat ion,  PAUI STI,  Ken ya .   We  t hank  Dr   Kibe Lang et c oor din at or Ele ct rical   En gin eeri ng,  P AUIST I Dr   A kande  Oluwol (Lado ke  A ki nto la   U niv e rsity   of   Te c hnology,  Ni ger ia ) En gr.   Olum ide  Aj ay (Adeleke  U ni ver sit y,  Ni ger i a) ,   As so ci at P rofess or   Md  M unjure  M ow la   (Rajs ha hi  Un i ve rsity  of Enginee rin g an Tec hnol ogy, Ba ng la des h) ,   our fam i li es  and  fr ie nds  for t heir  s uppo rt.       REFERE NCE S     [1]   R.   Vannit h amb y   and  S.  Ta l w ar,  Towa rds  5G  Applic a ti ons,  R equi rement and   Candi da Tech nologi es ,”   John   Wil e &   Sons,  Lt d ,   201 6 .   [2]   Cisco  S y stems   I ncor pora t ion,   C isco  Annual  In ternet   Repor (201 8 2023)  W hit e P ape r,   2020.   [O nli ne] .   Avai la bl e :   htt ps:// ww w.cis c o. com/c/en/us/so lut ions/c o ll a te r al/execut iv e - per sp ec t ive s/annu al - i nte rne t - rep ort /whit e - p ape r - c11 - 7414 90. html.     [3]   J.  Saunder an N.  Marshal l ,   Mobile   bac k haul   opt ions  -   Spect rum   ana l ysis  and  rec om m enda ti ons ,   G SM   Associat ion 201 8.   [4]   R.   Cháve z - San ti ago ,   et   al. ,   5G:  The   Con ver gence  of  W ire le ss   Comm unic at ions, ”  Wirel ess   Pe rs onal   Comm un ic ati ons ,   vol .   83 ,   no .   3 ,   p p.   1617 - 1642 ,   2 015.   [5]   M.  H.  Alsharif   and  R.   Nordin ,   Evol uti on  towa rds  fift gen era t ion  (5G)  wire l e ss   net works Curre nt  tr ends  an d   c hallenge in  th depl o y m ent   of   m il li m et re  wav e,   m assive  MIM O,  and  sm al cells, ”  Tel ec omm u n ic aton   Syst ems vol.   64 ,   no .   4 ,   pp .   617 - 637 ,   2017 .   [6]   M.  Agiwal,   et   a l. ,   Next  Gene r at ion  5GW ire le s Networks:  Com pre hensive   Surve y , ”  IEEE  Comm un ic ati ons   Surv ey   and   T u to rials ,   vol .   18 ,   no .   3 ,   pp .   1617 - 16 54,   2016 .   [7]   T.   Q.  Duong,  et  al . ,   Ultra - Den se  Networks  f or  5 G   a nd  Be y on Modell ing ,   Anal y s is,  a nd  Ap pli c at ions ,”   Joh n   Wil e &   Sons Lt d ,   2019 .   [8]   V.  Poirot,  e a l. ,   Ene rg y   eff ic i en m ult i - conne c tivit y   al gori thms   for  ult r a - dense   5 net works ,   Wi rel ess   Net works vol.   26 ,   no .   3 ,   pp .   2207 - 2222 ,   20 20.   [9]   C.   Dai et   al. 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