[論文レビュー] In-Band $α$-Duplex Scheme for Cellular Networks: A Stochastic Geometry Approach

Ahmad AlAmmouri, Hesham ElSawy+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、確率的幾何学的手法を用いて干渉をモデル化することで、無線通信ネットワークにおける上行リンクと下行リンクの送信の部分周波数帯域重複を可能にする$α$-duplex方式を提案する。$α$-duplexは、下行リンクと上行リンクのレートをそれぞれ28%および56%同時に向上させることを示しており、全二重モードおよび半二重モードと比較して、上行リンクの干渉を軽減しながらスペクトル効率を維持する点で優れている。

ABSTRACT

In-band full-duplex (FD) communications have been optimistically promoted to improve the spectrum utilization and efficiency. However, the penetration of FD communications to the cellular networks domain is challenging due to the imposed uplink/downlink interference. This paper presents a tractable framework, based on stochastic geometry, to study FD communications in cellular networks. Particularly, we assess the FD communications effect on the network performance and quantify the associated gains. The study proves the vulnerability of the uplink to the downlink interference and shows that the improved FD rate gains harvested in the downlink (up to $97\%$) comes at the expense of a significant degradation in the uplink rate (up to $94\%$). Therefore, we propose a novel fine-grained duplexing scheme, denoted as $α$-duplex scheme, which allows a partial overlap between the uplink and the downlink frequency bands. We derive the required conditions to harvest rate gains from the $α$-duplex scheme and show its superiority to both the FD and half-duplex (HD) schemes. In particular, we show that the $α$-duplex scheme provides a simultaneous improvement of $28\%$ for the downlink rate and $56\%$ for the uplink rate. Finally, we show that the amount of the overlap can be optimized based on the network design objective.

研究の動機と目的

• 帯域内全二重（FD）無線通信ネットワークにおける、モード間干渉に起因する深刻な上行リンク性能劣化を是正すること。
• 現実のネットワーク環境下でのFD性能を評価するための解析的枠組みを、確率的幾何学的手法に基づき構築すること。
• 上行リンクと下行リンクの周波数帯域の制御された部分的重複を可能にする、新たな多重化方式を提案すること。
• 異なる多重化戦略下での上行リンクと下行リンクのレートのトレードオフを定量化し、ネットワークの目的に応じて重複度を最適化すること。

提案手法

• 確率的干渉モデル化のため、基地局および端末装置の位置をポアソン点過程でモデル化する。
• ラプラス変換と統計的平均化を用いて、誤 bit 確率（BEP）、アウトージ確率、エルゴディックレートの閉形式式を導出する。
• 上行リンクと下行リンクの送信の間で、周波数帯域の可変的重複を許容する$α$-duplex方式を導入する。
• 周波数チャネル干渉の原因となる同周波数および隣接周波数の基地局からの干渉をモデル化し、路損失、電力制御、自己干渉キャンセレーションを考慮する。
• 干渉電力のラプラス変換を含む確率的幾何学のツールを用いて、SINR分布および性能指標を導出する。
• 数値的評価を通じて解析的結果を検証し、$α$-duplexを全二重および半二重方式と比較して、さまざまなネットワークパラメータ下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 帯域内全二重無線通信ネットワークにおけるモード間干渉は、上行リンクおよび下行リンクの性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 全二重通信は、下行リンクのスペクトル効率を向上させるが、上行リンク性能はどの程度劣化するか？
• RQ3 上行リンクと下行リンクの周波数帯域に部分的重複を許容する方式は、全二重点および半二重点方式よりも優れた性能を達成できるか？
• RQ4 $α$-duplex方式における周波数帯域重複の最適レベルは、異なるネットワーク設計目的を満たすためにどのように設定すべきか？

主な発見

• 全二重点通信は、下行リンクレートを最大97%向上させるが、上行リンクレートは最大94%劣化させることを示しており、上行リンクがモード間干渉に対して極めて感受性が高いことが明らかになった。
• 提案された$α$-duplex方式は、全二重点および半二重点方式と比較して、下行リンクで28%、上行リンクで56%の同時向上を達成した。
• $α$-duplex方式は、干渉とスペクトル再利用の細かい制御を可能にすることで、全二重点および半二重点方式を上回る性能を発揮した。
• $α$-duplexにおける最適な重複係数は、上行リンクまたは下行リンクスループットを最大化するというネットワークの目的に応じて調整可能である。
• 解析的枠組みは、電力制御、パルス整形、マッチフィルタリングなどの現実のシステムパrameterを的確に捉えており、導出された指標の堅牢性を裏付けた。