[論文レビュー] Full Duplex Operation for Small Cells

Sanjay Goyal, Pei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 29被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、小セルネットワークにおけるハイブリッド全二重（FD）スケジューリングおよびパワー割り当て方式を提案する。FDベースステーション（BS）は、干渉が管理可能である場合に限り、半二重（HD）ユーザ機器（UE）を同時にサービスする。実用的な95 dBの自己干渉キャンセレーションを用いることで、屋内環境ではダウンリンクで最大94%、アップリンクで93%のスペクトル効率向上を達成し、屋外環境ではそれぞれ53%および60%の向上を達成する。

ABSTRACT

Full duplex (FD) communications has the potential to double the capacity of a half duplex (HD) system at the link level. However, FD operation increases the aggregate interference on each communication link, which limits the capacity improvement. In this paper, we investigate how much of the potential doubling can be practically achieved in the resource-managed, small multi-cellular system, similar to the TDD variant of LTE, both in indoor and outdoor environments, assuming FD base stations (BSs) and HD user equipment (UEs). We focus on low-powered small cellular systems, because they are more suitable for FD operation given practical self-interference cancellation limits. A joint UE selection and power allocation method for a multi-cell scenario is presented, where a hybrid scheduling policy assigns FD timeslots when it provides a throughput advantage by pairing UEs with appropriate power levels to mitigate the mutual interference, but otherwise defaults to HD operation. Due to the complexity of finding the globally optimum solution of the proposed algorithm, a sub-optimal method based on a heuristic greedy algorithm for UE selection, and a novel solution using geometric programming for power allocation, is proposed. With practical self-interference cancellation, antennas and circuits, it is shown that the proposed hybrid FD system achieves as much as 94% throughput improvement in the downlink, and 92% in the uplink, compared to a HD system in an indoor multi-cell scenario and 54% in downlink and 61% in uplink in an outdoor multi-cell scenario. Further, we also compare the energy efficiency of FD operation.

研究の動機と目的

• 従来の半二重UEを有する小セルネットワークにおける全二重（FD）BSの実用的容量利得を評価すること。
• FDマルチセルシステムにおけるセル内およびセル間干渉の増加という課題に対処すること。
• スループット利得に基づいて、FDモードとHDモードの間を動的に切り替える、UE選択とパワー割り当ての共同アルゴリズムを設計すること。
• FD運用におけるエネルギー効率のトレードオフを評価し、FDが効率を向上または低下させる条件を特定すること。
• 集中型および将来の分散型ネットワークアーキテクチャにおけるインテリジェントスケジューリングの実現可能性を検討すること。

提案手法

• FDタイムスロットを、UEペairingがスループット利得をもたらす場合にのみ割り当てるハイブリッドスケジューリングポリシーを提案。それ以外の場合はHD運用にデフォルトで移行する。
• マルチセル環境における計算複雑度を低減するため、UE選択にヒューリスティックなグリーディアルゴリズムを採用。
• 上行リンクと下行リンクのUE間の相互干渉を低減するため、幾何プログラミングを用いて最適なパワー割り当てを実施。
• 屋内および屋外のマルチセル環境において、自己干渉、セル間干渉、クロスリンク干渉をモデル化。
• 現実的な伝搬モデルと自己干渉キャンセレーションレベル（75–105 dB）を備えたTDDベースのLTEに類似した小セルシステムをシミュレート。
• 自己干渉キャンセレーションレベルの変動に応じて、スペクトル効率、エネルギー効率、干渉管理の複数の指標に基づいて性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的な自己干渉キャンセレーションを有する実世界の小セル展開において、全二重運用がスペクトル効率をどの程度向上できるか。
• RQ2 セル間干渉は、マルチセル環境におけるFDベースステーションの性能に、半二重システムと比較してどのように影響を与えるか。
• RQ3 FD小セルネットワークにおけるスペクトル効率とエネルギー効率の最適なトレードオフは何か。
• RQ4 どのような状況下でFD運用がHDよりも高いスループットを達成できるか。逆に、干渉のためHDが依然として好ましい状況は何か。
• RQ5 自己干渉キャンセレーションレベルの選択が、全体のシステム性能およびエネルギー効率にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 95 dBの自己干渉キャンセレーションを用いることで、屋内マルチセル環境ではダウンリンクで94%、アップリンクで93%のスペクトル効率向上が達成された。
• 屋外マルチセル環境でも、同じ95 dBのキャンセレーションレベル下で、ダウンリンクで53%、アップリンクで60%のスペクトル効率向上が達成された。
• エネルギー効率は一般的にFDモードで低下するが、FD@75のダウンリンクケースでは、UE間リンクによるセル間干渉の低減により、HDを上回るエネルギー効率が達成された。
• 自己干渉キャンセレーションが95 dBを超えて向上するにつれ、同時に送信するUE数が増加し干渉も増加するため、エネルギー効率が低下した。
• 本稿で提案するハイブリッドスケジューリングポリシーは、干渉が性能を劣化させる場合にはFD運用を回避するため、高干渉環境下でも堅牢性を確保している。
• 結果から、特に密な屋内環境においては、インテリジェントなスケジューリングとパワー制御が、FDの潜在能力を十分に引き出すために不可欠であることが示された。