[論文レビュー] On the Degrees of Freedom of Full-Duplex Cellular Networks.

Minho Yang, Sang-Woon Jeon+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、再構成可能アンテナを備えた基地局（BS）が、半二重モードの下行リンクおよび上行リンクユーザーを同時に支援するフルデュプレックス（FD）セルラー網における和スルーレット度（DoF）を調査する。FD動作に再構成可能アンテナを適用することで、ユーザー間干渉が存在する状況でも、従来の半二重モードネットワークと比較して和DoFを2倍にできることが示され、実用的なSNR領域における和スルーレット向上にもつながることを示している。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) cellular networks are considered in which a FD base station (BS) simultaneously supports a set of half-duplex (HD) downlink (DL) users and a set of HD uplink (UL) users. The transmitter and the receiver of the BS are equipped with reconfigurable antennas, each of which can choose its transmit or receive mode from several preset modes. Under the no self-interference assumption arisen from FD operation at the BS, the sum degrees of freedom (DoF) of FD cellular networks is investigated for both no channel state information at the transmit side (CSIT) and partial CSIT. In particular, the sum DoF is completely characterized for the no CSIT model and an achievable sum DoF is established for the partial CSIT model, which improves the sum DoF of the conventional HD cellular networks. For both the no CSIT and partial CSIT models, the results show that the FD BS with reconfigurable antennas can double the sum DoF even in the presence of user-to-user interference as both the numbers of DL and UL users and preset modes increase. It is further demonstrated that such DoF improvement indeed yields the sum rate improvement at the finite and operational signal-to-noise ratio regime.

研究の動機と目的

• 再構成可能アンテナを備えた基地局が、下行リンクおよび上行リンクの半二重モードユーザーを同時に支援するフルデュプレックスセルラー網における和スルーレット度（DoF）を特徴づけること。
• 送信側におけるチャネル状態情報（CSIT）が完全でない場合と部分的にしか得られない場合の両状況において、基地局に設置された再構成可能アンテナがDoF性能に与える影響を分析すること。
• ユーザー間干渉が存在する中でも、再構成可能アンテナを備えたFDベースステーションが、従来の半二重モードセルラー網と比較して顕著なDoF向上を達成できるかどうかを特定すること。
• 理論的なDoF向上が、有限SNR領域における実用的な和スルーレット向上にどのように対応するかを評価すること。

提案手法

• 研究では、送信モードと受信モードを切り替え可能な再構成可能アンテナを装備したフルデュプレックス基地局をモデル化し、上行リンクと下行リンクの同時伝送を可能としている。
• 送信側に完全なチャネル状態情報（CSIT）がない場合と、限定的なCSITがある場合の2つのCSITモデルに基づいて、和DoFを分析している。
• CSITなしモデルでは、干渉整合とアンテナ再構成技術を用いて、和DoFの閉形式表現を導出している。
• 部分的CSITモデルでは、従来の半二重モードシステムよりも優れた和DoFを達成する伝送戦略を提案している。
• DoF分析は、有限信号対雑音比（SNR）における和スルーレットシミュレーションを通じて検証されており、実用的性能向上が示されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSITなしの状況下で、再構成可能アンテナを備えたフルデュプレックスセルラー網における和スルーレット度（DoF）はどのように定まるか？
• RQ2 部分的CSITが、このようなネットワークにおける達成可能な和DoFにどのように影響を与えるか？
• RQ3 ユーザー間干渉が存在する中でも、再構成可能アンテナを備えたFD基地局は、従来の半二重モードシステムと比較してDoF向上を達成できるか？
• RQ4 理論的なDoF向上が、実用的かつ有限SNR動作領域における測定可能な和スルーレット向上にどのように対応するか？

主な発見

• CSITなしモデルにおいて、和DoFが完全に特徴づけられており、再構成可能アンテナを備えたFD基地局が、プリセットアンテナモードの数に比例したDoF向上を達成していることが示された。
• 部分的CSITモデルについて、達成可能な和DoFが確立されており、従来の半二重モードセルラー網の和DoFを上回っていることが示された。
• ユーザー間干渉が存在する状況でも、DLおよびULユーザー数とプリセットアンテナモード数が増加するに従い、FD動作による和DoFが半二重モードと比較して2倍に増加することが示された。
• 理論的なDoF向上が、有限かつ実用的なSNR領域において顕著な和スルーレット向上をもたらすことが確認され、実用的意義が裏付けられた。