[論文レビュー] Performance Analysis of Millimeter-Wave Relaying: Impacts of Beamwidth and Self-Interference

Guang Yang, Ming Xiao|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2017

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、2波路モデルとガウス型指向性アンテナを用いたミリ波アンプアンドフォワード（AF）リレーシステムにおける最大実現可能レートを分析している。全二重モード（FD）リレーシステムが半二重モード（HD）を上回るのは、ビーム幅が狭く自己干渉が小さい場合に限る。それ以外の場合は直接伝送が優位である。地面の反射は、建設的または破壊的効果をもたらし、性能に顕著な影響を与える。

ABSTRACT

We study the maximum achievable rate of a two-hop amplified-and-forward (AF) relaying millimeter-wave (mm-wave) system, where two AF relaying schemes, i.e., half-duplex (HD) and full-duplex (FD) are discussed. By considering the two-ray mm-wave channel and the Gaussian-type directional antenna, jointly, the impacts of the beamwidth and the self-interference coefficient on maximum achievable rates are investigated. Results show that, under a sum-power constraint, the rate of FD-AF mm-wave relaying outperforms its HD counterpart only when antennas with narrower beamwidth and smaller self-interference coefficient are applied. However, when the sum-power budget is sufficiently high or the beamwidth of directional antenna is sufficiently small, direct transmission becomes the best strategy, rather than the AF relaying schemes. For both relaying schemes, we show that the rates of both AF relaying schemes scale as $ \mathcal{O}\left(\min\left\lbraceθ_m^{-1},θ_m^{-2} ight brace ight) $ with respect to beamwidth $ θ_ m $, and the rate of FD-AF relaying scales as $ \mathcal{O}\left(μ^{-\frac{1}{2}} ight) $ with respect to self-interference coefficient $ μ$. Besides, we show that, ground reflections may significantly affect the performance of mm-wave communications, constructively or destructively. Thus, the impact of ground reflections deserves careful considerations for analyzing or designing future mm-wave wireless networks.

研究の動機と目的

• 現実的なチャネルおよびアンテナモデルを想定した2ホップミリ波AFリレーシステムにおける最大実現可能レートの分析。
• ビーム幅および自己干渉係数がシステム性能に与える影響の調査。
• 高出力または狭ビーム条件下で、直接伝送がAFリレーシステムを上回る条件の評価。
• 2波路チャネルモデルを用いて地面の反射を組み込み、その建設的または破壊的効果の評価。
• 実用的な性能解析を可能にするために、実際の放射パターンのロールオフ特性を捉えるガウス型指向性アンテナを用いた解析の提供。

提案手法

• 視線（LoS）および地面反射路を含む2波路ミリ波チャネルモデルを用いる。
• 平坦トップ型やセクタ型モデルよりも現実的である、連続的なメインローブからサイドローブへのロールオフを表現するガウス型指向性アンテナモデルを採用する。
• 合計送信パワー制約下で、半二重（HD）および全二重（FD）AFリレーシステムの両方を分析する。
• 最大実現可能レートの閉形式表現を導出し、ビーム幅および自己干渉係数に対するスケーリング特性を分析する。
• 漸近的解析を用いてスケーリング則を導出：ビーム幅に対してO(min{θ⁻¹ₘ, θ⁻²ₘ})、自己干渉係数に対してO(µ⁻¹ᐟ²)。
• 主な性能トレンドの妥当性を検証するため、数学的証明（例：単調性および凸性解析）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波システムにおいて、FD-AFリレーシステムがHD-AFリレーシステムを上回る条件は何か？
• RQ2 ビーム幅および自己干渉係数が、最大実現可能レートにどのように同時に影響を与えるか？
• RQ3 ミリ波ネットワークにおいて、直接伝送がAFリレーシステムを上回るのはどのような状況か？
• RQ4 地面の反射はミリ波リレーシステムの性能にどのように影響を与え、どのような状況で建設的または破壊的干渉を引き起こすか？
• RQ5 ビーム幅および自己干渉係数に対して、実現可能レートの根本的スケーリング則は何か？

主な発見

• FD-AFリレーシステムがHD-AFリレーシステムを上回るのは、ビーム幅が狭く、自己干渉係数が小さい場合に限る。
• 合計送信パワーが十分に高い、またはビーム幅が十分に狭い場合には、直接伝送が両方のAFリレーシステムを上回るレートを達成する。
• 最大実現可能レートはビーム幅θₘに対してO(min{θ⁻¹ₘ, θ⁻²ₘ})のスケーリングを示し、ビーム幅とレート向上のトレードオフを示している。
• FD-AFリレーシステムにおいて、レートは自己干渉係数µに対してO(µ⁻¹ᐟ²)のスケーリングを示しており、残留干渉に非常に敏感であることが示された。
• 地面の反射は性能に顕著な影響を与え、建設的または破壊的干渉を引き起こすため、正確なシステム評価のためには慎重なモデル化が不可欠である。
• 自己干渉キャンセレーションが中程度の性能であっても、FD-AFリレーシステムとその理想上限（µ=0）との性能ギャップは小さいため、超高性能のキャンセレーションハードウェアの必要性が低下する。