[論文レビュー] Large Antenna Analysis of Multi-Cell Full-Duplex Networks

Jingwen Bai, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、パイロット混信、チャネル推定誤差、自己干渉キャンセレーションの不完全性といった実用的制約を考慮した、大規模アレステンスを備えた基地局を有するマルチセルフルデュプレックスMIMOネットワークにおける上行リンクおよび下行リンクのエルゴディックレートを分析する。大規模アレステンス領域において、フルデュプレックスが半デュプレックスに対して達成する2倍のスペクトル効率の利点が維持されることを示しており、有限系においても顕著に少ないアンテナ数で高いスペクトル効率を実現可能である。

ABSTRACT

We study a multi-cell multi-user MIMO full-duplex network, where each base station (BS) has multiple antennas with full-duplex capability supporting single-antenna users with either full-duplex or half-duplex radios. We characterize the up- and downlink ergodic achievable rates for the case of linear precoders and receivers. The rate analysis includes practical constraints such as imperfect self- interference cancellation, channel estimation error, training overhead and pilot contamination. We show that the 2X gain of full-duplex over half-duplex system remains in the asymptotic regime where the number of BS antennas grows infinitely large. We numerically evaluate the finite SNR and antenna performance, which reveals that full-duplex networks can use significantly fewer antennas to achieve spectral efficiency gain over the half-duplex counterparts. In addition, the overall full-duplex gains can be achieved under realistic 3GPP multi-cell network settings despite the increased interference introduced in the full-duplex networks.

研究の動機と目的

• マルチセルフルデュプレックスMIMOネットワークにおける上行リンクおよび下行リンクのエルゴディック可能なレートを大規模アレステンスを備えた基地局を用いて特徴付けること。
• パイロット混信、チャネル推定誤差、トレーニングオーバーヘッド、および不完全な自己干渉キャンセレーションといった実用的制約を考慮すること。
• 基地局アンテナ数が無限大に近づく極限において、フルデュプレックスが半デュプレックスに対して達成する2倍のスペクトル効率の利点が維持されるかを評価すること。
• 有限SNRおよび有限アンテナ数における性能を評価し、フルデュプレックスネットワークが半デュプレックスの対応物よりも顕著に少ないアンテナ数で利点を達成できることを示すこと。

提案手法

• 不完全なチャネル状態情報の下で、線形プレケーラおよびリセーバを用いて上行リンクおよび下行リンクのエルゴディック可能なレートの式を導出する。
• フルデュプレックス動作に起因する干渉をモデル化し、上行リンクユーザーおよび隣接基地局からのセル間およびセル内干渉を含める。
• 大システム解析技術を適用し、中心極限定理の近似およびワイシャルト行列の性質を活用して、チャネルゲイン積の期待値を計算する。
• MMSEチャネル推定を用いて推定誤差をモデル化し、不完全なCSI下での有効チャネルゲインの分散式を導出する。
• トレーニングオーバーヘッドおよびパイロット混信を組み込み、パイロット混信を平均ゼロの複素正規確率変数としてモデル化し、既知の分散を有するものとする。
• 確率的行列理論の結果を用いて、チャネル推定値および誤差項の期待値を計算し、可能なレートの閉形式式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的制約を伴うマルチセルマスィブMIMO環境下でも、フルデュプレックスが半デュプレックスに対して達成する2倍のスペクトル効率の利点は維持されるか？
• RQ2 パイロット混信およびチャネル推定誤差は、大規模アレステンスを備えた基地局を有するフルデュプレックスマルチセルネットワークにおけるエルゴディックレートにどのように影響を与えるか？
• RQ3 基地局アンテナ数が無限大に近づく極限において、フルデュプレックスの利点は維持されるか？
• RQ4 有限SNRおよび有限アンテナ数におけるフルデュプレックスネットワークと半デュプレックスシステムとの間の性能トレードオフは何か？
• RQ5 干渉が増加するにもかかわらず、現実的な3GPPマルチセルネットワーク環境下でも、フルデュプレックス全体の利点は達成可能か？

主な発見

• 基地局アンテナ数が無限大に近づく極限において、不完全な自己干渉キャンセーションが存在する状況でも、フルデュプレックスが半デュプレックスに対して達成する2倍のスペクトル効率の利点が漸近的に維持される。
• 極限領域において、セル内およびセル間干渉、およびチャネル推定誤差の影響は、アンテナ数の増加に伴い消滅する。
• フルデュプレックスユーザーのみをサービス対象とする場合、2倍の利点が維持されるが、半デュプレックスユーザーが存在する場合にはトレーニングオーバーヘッドおよびパイロット混信の影響により維持されない。
• 有限SNRのシミュレーションにより、フルデュプレックスネットワークが、半デュプレックスシステムと同等のスペクトル効率をはるかに少ないアンテナ数で達成できることを示した。
• 干渉が増加するにもかかわらず、現実的な3GPPマルチセルネットワークシナリオにおいても、フルデュプレックス全体の利点は達成可能であり、実用的妥当性が裏付けられた。