[論文レビュー] Full-Duplex Cellular Networks: It Works!

Rongpeng Li, Yan Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、自己干渉キャンセレーション（SIC）が110 dBにとどまる限られた条件下でも、ピコ基地局（BS）におけるフルデュプレックス（FD）運用が、無線通信ネットワークのスケールとエネルギー効率を顕著に向上させることを示している。距離に配慮したユーザー端末（UE）ペアリングとバイナリーパワー制御を組み合わせることで、FDネットワークはHDネットワークに比べてスペクトル効率が最大80%向上し、実用的なセルラー展開におけるFDの実現可能性を裏付けている。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) communications with bidirectional transmitting and receiving at the same time and frequency radio resource have long been deemed a promising way to boost spectrum efficiency, but hindered by the techniques for self-interference cancellation (SIC). Recent breakthroughs in analog and digital signal processing yield the feasibility of beyond $100$ dB SIC capability and make it possible for FD communications to demonstrate nearly doubled spectrum efficiency for point-to-point links. Now it is time to shift at least partial of our focus to full duplex networking, such as in cellular networks, since it is not straightforward but demanding novel and more complicated interference management techniques. Before putting FD networking into practice, we need to understand that what scenarios FD communications should be applied in under the current technology maturity, how bad the performance will be if we do nothing to deal with the newly introduced interference, and most importantly, how much improvement could be achieved after applying advanced solutions. This article will shed light on these questions.

研究の動機と目的

• 異種セルラーネットワークにおけるピコBSにフルデュプレックス（FD）機能を導入する実現可能性と性能向上を評価すること。
• 現実的な展開シナリオ下で、特にセル内UE間干渉が顕著となるFDセルラーネットワークにおける、最も深刻な干渉タイプを特定すること。
• 自己干渉キャンセレーション（SIC）能力がシステム性能に与える影響を評価し、正の性能向上を得るための最小SICレベルを同定すること。
• スペクトル効率とエネルギー効率を最大化するための実用的干渉管理戦略（UEペアリングやバイナリーパワー制御など）の設計と評価を行うこと。
• ネットワークの密度化とユーザー分布の変化に応じて、FDセルラーネットワークにおけるスペクトル効率（SE）とエネルギー効率（EE）のトレードオフを分析すること。

提案手法

• マクロセルのカバレッジ内に帯域外のピコBSを配置した異種ネットワークを対象とし、マクロBSおよびUEはすべてハーフデュプレックス（HD）モードを維持する。
• システムのスペクトル効率（SE）を、単位帯域あたりの上行リンク（UL）および下行リンク（DL）スループットの合計として定式化し、次の式を用いる：SE = (T_tot^UL + T_tot^DL) / B_tot。
• FD運用を、合計スループットの向上がHD性能を上回る場合にのみ有効化するバイナリーパワー制御方式を適用し、性能劣化を回避する。
• 主なセル内UE間干渉を軽減するために、距離に配慮した統合的プロポーションフェア（PF）スケジューリングを用いたUEペアリングを導入する。
• UEペアリングとバイナリーパワー制御を統合し、ユーザー分布（均一 vs. クラスタ型）に適応可能なハイブリッド干渉管理戦略を構築する。
• システムレベルのシミュレーションを用いて、SIC能力（80 dB～110 dB）とネットワーク密度（1マクロBSあたり3～15のピコBS）の変動に応じたSEおよびEEを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルデュプレックス（FD）ピコBSがハーフデュプレックス（HD）ネットワークを上回るネットスペクトル効率の向上を達成するための最小自己干渉キャンセレーション（SIC）能力はどの程度か？
• RQ2 現実的な展開条件下で、FDセルラーネットワークにおける干渉タイプ（UE間干渉、BS間干渉、残留自己干渉）の中で、どれが最も支配的か？
• RQ3 ユーザー分布（均一 vs. クラスタ型）が、FDセルラーネットワークにおける性能向上と干渉ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 UEペアリングやバイナリーパワー制御などの干渉管理技術が、FDネットワークにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率をどの程度向上できるか？
• RQ5 ピコBSの数が増加するに伴って、FDセルラーネットワークにおけるスペクトル効率（SE）とエネルギー効率（EE）のトレードオフはどのように変化するか？

主な発見

• 110 dBのSIC能力を有する場合、ユーザー分布が均一な状況ではHDネットワークに比べてFDピコBSが最大80%高いスペクトル効率を達成し、クラスタ型分布では最大50%の向上を示した。
• 高度な干渉管理がなくても、FDネットワークは、ULおよびDLの両方で全帯域を活用できるため、均一分布では58%、クラスタ型分布では18%のSE向上を達成した。
• 単一セルパワーコントロールまたはUEペアリングを適用することで、均一分布ではSE向上が20%増加し、クラスタ型分布では24%～38%増加した。これは、セル内UE間干渉が主な制約要因であることを確認している。
• UEペアリングとパワーコントロールを併用することで、さらに35%のSE向上が得られた。これは、干渉に配慮した設計がFDの利点を最大限に引き出すために不可欠であることを示している。
• 標準的なPFスケジューリングを用いるFDネットワークはHDネットワークに比べてエネルギー効率（EE）が最大20%向上したが、高度な干渉管理を適用すればEEは最大120%向上した。
• 均一分布ではSE向上を得るための最小SIC能力は80 dBであるが、より強いUE間干渉およびセル間干渉を克服する必要があるクラスタ型分布では100 dBが必要である。