[論文レビュー] Can Uplink Transmissions Survive in Full-duplex Cellular Environments?

Hesham ElSawy, Ahmad AlAmmouri+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、上行リンクと下行リンクの周波数帯域に部分的な重複を許容することで、全二重（FD）セルラー網における上行リンクと下行リンクのデータレートをバランスさせるαデュプレックス方式を提案する。これに加えて、パルス整形とマッチドフィルタリングを適用することで、クロスモード干渉を低減する。この方式により、従来のFD運用で生じる深刻な上行リンク性能劣化（1000倍以上）を克服し、上行リンクおよび下行リンクの両方で同時に30%のレート向上を達成する。

ABSTRACT

In-band full-duplex (FD) communication is considered a potential candidate to be adopted by the fifth generation (5G) cellular networks. FD communication renders the entire spectrum simultaneously accessible by uplink and downlink, and hence, is optimistically promoted to double the transmission rate. While this is true for a single communication link, cross-mode interference (i.e., interference between uplink and downlink) may diminish the full-duplexing gain. This paper studies FD operation in large-scale cellular networks with real base stations (BSs) locations and 3GPP propagation environment. The results show that the uplink is the bottleneck for FD operation due to the overwhelming cross-mode interference from BSs. Operating uplink and downlink on a common set of channels in an FD fashion improves the downlink rate but significantly degrades (over 1000-fold) the uplink rate. Therefore, we propose the $α$-duplex scheme to balance the tradeoff between the uplink and downlink rates via adjustable partial overlap between uplink and downlink channels. The $α$-duplex scheme can provide a simultaneous $30\%$ improvement in each of the uplink and downlink rates. To this end, we discuss the backward compatibility of the $α$-duplex scheme with half-duplex user-terminals. Finally, we point out future research directions for FD enabled cellular networks.

研究の動機と目的

• 実際の基地局（BS）位置と3GPPの伝搬条件を想定した現実的な全二重（FD）セルラー網における上行リンク伝送の実現可能性を調査すること。
• FD運用におけるクロスモード干渉によって引き起こされる上行リンクレートの著しい性能劣化を特定および定量すること。
• 半二重ユーザー機器との後方互換性を維持しながら、上行リンクと下行リンクのレートをバランスさせる実用的な解決策を提案すること。
• 現実のネットワーク展開におけるスペクトル効率および干渉抑制の観点から、提案されたαデュプレックス方式の性能を評価すること。

提案手法

• 本研究では、英国の大手通信事業者のダウンタウンロンドン網から得た現実的なネットワークトポロジーデータを用い、実際のBS位置と3GPP伝搬モデルを適用する。
• αデュプレックス方式は、上行リンクと下行リンクの周波数帯域間に調整可能な部分的な重複を許容する柔軟な多重化戦略として導入される。
• クロスモード干渉を抑制し、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）を向上させるために、パルス整形とマッチドフィルタリングが適用される。
• αデュプレックスの性能は、システムレベルのシミュレーションを用いて評価され、従来の全二重および半二重モードと比較される。
• 本方式は、全二重対応ユーザー端末を必要とせず、半二重ユーザー端末と後方互換性を持つように設計されており、共存が可能である。
• 今後の方向性として、干渉漏れをさらに低減しスペクトル効率を最大化するためのパルス波形最適化が議論される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のBS位置と伝搬条件を想定した現実的なセルラー網において、全二重運用が上行リンクおよび下行リンクのスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 下行リンク伝送によるクロスモード干渉が、全二重セルラー網における上行リンク性能にどの程度劣化を引き起こすか？
• RQ3 部分的周波数帯域重複方式（αデュプレックス）は、高いスペクトル効率を維持しながら、上行リンクと下行リンクのレートを効果的にバランスさせることができるか？
• RQ4 上行リンクおよび下行リンクのレート向上という観点から、αデュプレックスは従来の全二重および半二重点式に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 αデュプレックス方式は、既存の半二重点ユーザー端末と互換性があり、全二重点端末を必要としない実用的展開が可能か？

主な発見

• 従来の全二重点運用では、下りリンクから上りリンクへのクロスモード干渉が圧倒的であるため、上りリンクスペクトル効率が1000倍以上劣化する。
• αデュプレックス方式は、従来の全二重点および半二重点モードと比較して、上りリンクおよび下りリンクの両方で同時に30%の向上を達成する。
• 活性な下りリンク伝送による深刻なクロスモード干渉のため、上りリンクがFDセルラー網における主なボトルネックであると特定された。
• 現実的なシミュレーション環境からの結果は、以前の確率的幾何モデルからの知見の一般性を裏付けているが、絶対値としての上りリンク劣化はさらに深刻である。
• αデュプレックス方式は、半二重点ユーザー端末と後方互換性があるため、全二重点端末を必要とせず、展開が可能である。
• 今後の最適化されたパルス整形および分散型多重化パrameterの導入により、さらなる干渉抑制とスペクトル効率の向上が期待される。