[論文レビュー] Network-Assisted Full-Duplex Cell-Free Massive MIMO: Spectral and Energy Efficiencies

Mohammadali Mohammadi, Tung T. Vu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2023

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、半二重モードのアクセスポイントを用いて、同時に上行リンクと下行リンクの送信を可能にするネットワーク支援型フルデュプレックス（NAFD）セルフリース massive MIMO（CF-mMIMO）システムを提案する。このシステムは、APモード割り当て、電力制御、および大規模フェージング復元重みを共同最適化することでスペクトル効率とエネルギー効率を最大化する。数値結果から、従来の半二重モードおよびフルデュプレックス方式と比較して、スペクトル効率が最大30%向上し、エネルギー効率が最大200%向上することが示された。

ABSTRACT

We consider network-assisted full-duplex (NAFD) cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) systems, where full-duplex (FD) transmission is virtually realized via half-duplex (HD) hardware devices. The HD access points (APs) operating in uplink (UL) mode and those operating in downlink (DL) mode simultaneously serve DL and UL user equipments (UEs) in the same frequency bands. We comprehensively analyze the performance of NAFD CF-mMIMO from both a spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) perspectives. Specifically, we propose a joint optimization approach that designs the AP mode assignment, power control, and large-scale fading (LSFD) weights to improve the sum SE and EE of NAFD CF-mMIMO systems. We formulate two mixed-integer nonconvex optimization problems of maximizing the sum SE and EE, under realistic power consumption models, and the constraints on minimum individual SE requirements, maximum transmit power at each DL AP and UL UE. The challenging formulated problems are transformed into tractable forms and two novel algorithms are proposed to solve them using successive convex approximation techniques. More importantly, our approach can be applied to jointly optimize power control and LSFD weights for maximizing the sum SE and EE of HD and FD CF-mMIMO systems, which, to date, has not been studied. Numerical results show that: (a) our joint optimization approach significantly outperforms the heuristic approaches in terms of both sum SE and EE; (b) in CF-mMIMO systems, the NAFD scheme can provide approximately 30\% SE gains, while achieving a remarkable EE gain of up to 200\% compared with the HD and FD schemes.

研究の動機と目的

• 自己干渉およびクロスリンク干渉に起因する、フルデュプレックスセルフリース massive MIMO（CF-mMIMO）システムにおける高い消費電力と干渉の課題に対処すること。
• 従来の半二重モードおよびフルデュプレックス CF-mMIMO の制限を克服するため、動的にアクセスポイントの送信モードを割り当て可能な柔軟なネットワーク支援型フルデュプレックス（NAFD）アーキテクチャを導入すること。
• 実際のハードウェアおよびサービス品質制約のもとで、和スペクトル効率およびエネルギー効率を最大化するために、APモード割り当て、電力制御、および大規模フェージング復元重みを共同最適化すること。
• NAFD CF-mMIMOにおける混合整数非凸問題を扱うための実用的な最適化フレームワークを構築すること。

提案手法

• アクセスポイントが上行リンク、下行リンク、またはハイブリッドモードで動作するネットワーク支援型フルデュプレックス（NAFD）CF-mMIMOアーキテクチャを提案。これにより、フルデュプレックスハードウェアを必要とせずに、同時に送信と受信が可能となる。
• APモード割り当て、送信電力制御、および大規模フェージング復元（LSFD）重みを同時に最適化する共同最適化フレームワークを導入し、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる。
• 回路電力および送信電力を含む現実的な消費電力モデルを構築し、和スペクトル効率およびエネルギー効率を最大化する2つの混合整数非凸最適化問題を定式化する。
• 逐次凸近似（SCA）技術を用いて非凸問題を扱いやすい形に変換し、効率的なアルゴリズム的解法を可能にする。
• 使用後に放棄する容量上限技術を用いて、下行リンクスペクトル効率の閉形式表現を導出。これには、目的信号の電力、ビームフォーミングの不確実性、およびクロスリンク干渉を考慮する。
• ヒューリスティック手法と比較する数値結果を通じて、提案手法の妥当性を検証。スペクトル効率およびエネルギー効率の両面で優れた性能を示した。

Figure 1 : Illustration of a NAFD CF-mMIMO system with the assigned UL and DL APs along with the received desired and interference signals at a typical DL UE and UL AP.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク支援型フルデュプレックス（NAFD）CF-mMIMOアーキテクチャは、従来の半二重モードおよびフルデュプレックスシステムと比較して、スペクトル効率およびエネルギー効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 APモード割り当て、電力制御、および大規模フェージング復元重みの共同最適化は、NAFD CF-mMIMOにおける和スペクトル効率およびエネルギー効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 半二重モードのアクセスポイントを用いたNAFD CF-mMIMOにおいて、干渉低減（自己干渉およびクロスリンク干渉）とエネルギー効率のトレードオフはどのようなものか？
• RQ4 提案された共同最適化フレームワークは、ヒューリスティック手法と比較して、どの程度スペクトル効率およびエネルギー効率の面で優れているか？
• RQ5 実際のハードウェアおよびサービス品質制約のもとで、NAFD方式は従来のフルデュプレックスおよび半二重モード CF-mMIMO と比較して、どの程度性能を発揮するか？

主な発見

• 提案された共同最適化手法は、ヒューリスティック手法と比較して、和スペクトル効率およびエネルギー効率の両面で顕著に優れており、協調的設計の有効性を示している。
• NAFD方式は、従来の半二重モードおよびフルデュプレックス CF-mMIMO システムと比較して、約30%高いスペクトル効率を達成した。
• NAFD方式は、半二重モードおよびフルデュプレックス方式の対応する手法と比較して、驚異的なエネルギー効率の向上（最大200%）を達成した。
• 電力制御と大規模フェージング復元重みの共同最適化により、ハイブリッドデュプレックスおよびフレキシブルデュプレックス CF-mMIMO ネットワークにおける干渉管理とスペクトル効率の向上が可能になった。
• 逐次凸近似技術の使用により、元来取り扱いにくい混合整数非凸最適化問題を効率的に解けるようになった。
• 導出されたスペクトル効率の式は、ビームフォーミングの不確実性、他のUEからのクロスリンク干渉、および有効ノイズを考慮しており、性能評価の正確性を高めた。

(a) Average sum SE versus the number of APs ( $K_{d}\!=\!K_{u}\!=\!4$ ).