[論文レビュー] Full-Duplex Cloud Radio Access Network: Stochastic Design and Analysis

Arman Shojaeifard, Kai‐Kit Wong+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 47被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、有限クラスタリング、非等方フェージング、フロントハール容量制約を伴うフルデュプレックスクラウド無線アクセスネットワーク（FD-C-RAN）におけるスペクトル効率（SE）の分析のための確率的フレームワークを提案する。ポisson点過程（PPP）に基づくモデル化を用い、モーメント生成関数と確率生成関数型（PGFL）を用いて干渉統計を特徴づけることで、ダウンリンクおよびアップリンクのSEに対する上界を導出。特に高容量のフロントハールと高度な干渉キャンセレーションを備えた場合、半デュプレックス動作に比べ顕著なSE向上を示す。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) has emerged as a disruptive communications paradigm for enhancing the achievable spectral efficiency (SE), thanks to the recent major breakthroughs in self-interference (SI) mitigation. The FD versus half-duplex (HD) SE gain, in cellular networks, is however largely limited by the mutual-interference (MI) between the downlink (DL) and the uplink (UL). A potential remedy for tackling the MI bottleneck is through cooperative communications. This paper provides a stochastic design and analysis of FD enabled cloud radio access network (C-RAN) under the Poisson point process (PPP)-based abstraction model of multi-antenna radio units (RUs) and user equipments (UEs). We consider different disjoint and user-centric approaches towards the formation of finite clusters in the C-RAN. Contrary to most existing studies, we explicitly take into consideration non-isotropic fading channel conditions and finite-capacity fronthaul links. Accordingly, upper-bound expressions for the C-RAN DL and UL SEs, involving the statistics of all intended and interfering signals, are derived. The performance of the FD C-RAN is investigated through the proposed theoretical framework and Monte-Carlo (MC) simulations. The results indicate that significant FD versus HD C-RAN SE gains can be achieved, particularly in the presence of sufficient-capacity fronthaul links and advanced interference cancellation capabilities.

研究の動機と目的

• 上行リンク（UL）と下行リンク（DL）の送信間の相互干渉（MI）により、セルラー網におけるフルデュプレックス（FD）のスペクトル効率向上が制限されているという問題に対処すること。
• 有限容量のフロントハールリンクと非等方フェージングを含む現実的なシステム制約下での、FD対応クラウド無線アクセスネットワーク（C-RAN）の性能を調査すること。
• 無線ユニット（RUs）およびユーザー端末（UEs）の配置をポアソン点過程（PPP）に基づいてモデル化することにより、FD-C-RANの確率的設計および解析フレームワークを構築すること。
• 有限C-RANクラスタにおける離散的クラスタリングとユーザセントリッククラスタリング戦略の比較を行い、干渉およびフロントハール制約下でのSEに与える影響を評価すること。
• 意図信号および干渉信号の統計を特徴づけることにより、ダウンリンクおよびアップリンクのスペクトル効率に対する取り扱い可能な上界式を導出すること。

提案手法

• 複数アンテナを備えたRUsおよびUEsの配置をポアソン点過程（PPP）でモデル化し、解析が容易な確率的幾何学的解析を可能にする。
• 干渉電力のモーメント生成関数（MGF）を導出する際、ガンマ分布に従うチャネルゲインのMGFを用い、PPPに配置された干渉源からの空間的干渉を確率生成関数型（PGFL）を用いてモデル化する。
• 干渉電力式の簡略化のため、近似手法3を適用し、チャネルゲインの二乗和をガンマ分布に従う確率変数としてモデル化する。
• 積分恒等式 $\mathscr{F}_1(.)$ および $\mathscr{F}_2(.)$ を用いて、離散的およびユーザセントリッククラスタリングの両方において、PGFLに基づく干渉統計を閉形式で評価する。
• 両方のクラスタリング戦略下で、意図信号の統計、同セル干渉（ICI）、クロスモード干渉（CMI）を組み合わせることにより、ダウンリンクおよびアップリンクのスペクトル効率に対する上界式を導出する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果の妥当性を検証し、導出された上界の正確性を確認するとともに、フロントハール容量および干渉キャンセレーション条件の変化に伴うシステム性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限クラスタリングおよび容量制限のあるフロントハールリンクを有するC-RANにおいて、フルデュプレックス（FD）が半デュプレックス（HD）に比べて達成可能なスペクトル効率（SE）の向上はどの程度か？
• RQ2 非等方フェージングおよび有限容量のフロントハールリンクは、理想化されたモデルと比較してFD-C-RANの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 干渉およびフロントハール制約下において、ユーザセントリッククラスタリングと離散的クラスタリングの相対的性能向上はどの程度か？
• RQ4 高度な干渉キャンセレーション機能と高容量のフロントハールリンクが、FD-C-RANにおけるSE向上にどのように相乗的に作用するか？
• RQ5 現実的なシステム仮定下で、確率的幾何学的手法を用いて、FD-C-RANにおけるダウンリンクおよびアップリンクSEの取り扱い可能な上界式を導出できるか？

主な発見

• フロントハールリンクの容量が十分でかつ干渉キャンセレーションが効果的である場合、C-RANにおいてフルデュプレックス（FD）と半デュプレックス（HD）の間で顕著なスペクトル効率（SE）向上が達成可能である。
• 提案された確率的フレームワークは、MGFおよびPGFLを用いて意図信号、同セル干渉（ICI）、クロスモード干渉（CMI）の統計を正確にモデル化することで、ダウンリンクおよびアップリンクのSEに対するタイトな上界を提供する。
• 干渉制限領域において、干渉管理の優位性とより好都合なチャネル統計の観点から、ユーザセントリッククラスタリングは離散的クラスタリングよりも高いSEを達成する。
• 非等方フェージングチャネルは干渉統計に顕著な影響を及ぼし、本モデルではMGF導出に方向性パスロスおよび空間相関を組み込むことでこれを考慮している。
• モンテカルロシミュレーションにより解析結果が妥当であることが確認され、SE向上はフロントハール容量が向上し、ユーザー端末での干渉キャンセレーション性能が向上するにつれて増大する。
• 導出された干渉統計式は、離散的およびユーザセントリッククラスタリングの両方に対して有効であり、後者は局所的協調と低減されたクロスクラスタ干渉により優れた性能を示す。