[論文レビュー] A Stochastic Geometry Framework for Asynchronous Full-Duplex Networks.

Andrea Munari, Petri Mähönen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ランダムアクセスを伴う非同期フルデュプレックス（FD）無線ネットワークの干渉および自己干渉効果をモデル化するため、確率的幾何学フレームワークを提案する。主な性能指標の閉形式式を導出し、送信時間、自己干渉キャンセレーション、FDノード密度の間のトレードオフを明らかにするとともに、スロット型システムと比較して非同期性に起因する性能損失を定量的に評価する。

ABSTRACT

In-band full-duplex is emerging as a promising solution to enhance throughput in wireless networks. Allowing nodes to simultaneously send and receive data over the same bandwidth can potentially double the system capacity, and a good degree of maturity has been reached in terms of physical layer design with practical demonstrations in simple topologies. However, the true potential of full-duplex at a system level is yet to be fully understood. In this paper, we introduce an analytical framework based on stochastic geometry that captures the behaviour of large full-duplex networks implementing an asynchronous random access policy. Via closed-form expressions we discuss the key tradeoffs that characterise these systems, exploring among the rest the role of transmission duration, imperfect self- interference cancellation and fraction of full-duplex nodes in the network. We also provide protocol design principles, and our comparison with slotted systems sheds light on the performance loss induced by the lack of synchronism.

研究の動機と目的

• 大規模な非同期フルデュプレックス無線ネットワークのシステムレベル性能を理解すること。
• ランダムアクセスおよび同期の欠如がネットワーク容量および干渉に与える影響をモデル化すること。
• 送信時間、自己干渉キャンセレーション、フルデュプレックスノードの割合の間のトレードオフを定量すること。
• 解析的性能指標に基づいて非同期FDプロトコルの設計原則を導出すること。
• 非同期FDシステムとスロット型FDシステムを比較し、非同期性に起因する性能損失を定量化すること。

提案手法

• 大規模ネットワークにおける送信機および受信機の空間的分布をモデル化するために確率的幾何学を用いる。
• ノードの位置をポアソン点過程で表現し、干渉統計を導出する。
• 残留干渉を既知の分布を持つ確率変数としてモデル化することで、自己干渉キャンセレーションの不完全性を組み込む。
• ラプラス変換および確率生成関数技術を用いて、コバーリッジ確率およびスペクトル効率の閉形式式を導出する。
• 送信時刻がランダムにオフセットされる非同期ランダムアクセスポリシーを導入し、フレーム同期の欠如を捉える。
• 導出された性能指標をスロット型FDシステムのものと比較し、非同期性の影響を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムアクセスにおける同期の欠如は、フルデュプレックスネットワークのコバーリッジ確率およびスペクトル効率にどのように影響するか？
• RQ2 送信時間の長さは、非同期フルデュプレックスシステムの性能にどのような影響を及けるか？
• RQ3 不完全な自己干渉キャンセレーションは、フルデュプレックス運用による性能向上をどのように制限するか？
• RQ4 非同期ネットワークで顕著なスペクトル効率の向上を達成するには、何パーセントのフルデュプレックスノードが必要か？
• RQ5 スロット型フルデュプレックスシステムと比較して、非同期アクセスを用いることでどの程度の性能損失が生じるか？

主な発見

• 非同期FDネットワークにおけるコバーリッジ確率は、送信が不整合になることで干渉が増加するため、スロット型システムと比較して顕著に低い。
• フルデュプレックス運用によるスペクトル効率の向上は、残留自己干渉のレベルに極めて敏感であり、ある閾値を超えると性能が急激に低下する。
• 長時間送信の利点と干渉および自己干渉への露出の増加のバランスを取る最適な送信時間の長さが存在する。
• フルデュプレックスノードの割合が高いほどスペクトル効率が向上するが、共信道干渉が増加するため、ある密度を超えると利得は飽和する。
• 非同期性に起因する性能損失は定量可能であり、送信時間およびアクティブ送信機の密度に依存する。