[論文レビュー] Performance Evaluation of User Scheduling for Full-Duplex Small Cells in Ultra-Dense Networks

Italo Atzeni, Marios Kountouris+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 11被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、スタティスティカルジオメトリと3GPPチャネルモデルを用いて、超密なネットワーク（UDNs）内のフルデュプレックス（FD）スモールセルにおけるユーザースケジューリングおよびパワー割り当てを評価する。低複雑性のユーザースケジューリングアルゴリズムを3つ提案し、それらを最適パワー割り当て（OPA）と組み合わせることで、最大19.1％の合計スルーレート向上を実証した。特に、基地局密度が高く、自己干渉キャンセレーション（SIC）能力が十分に備わった環境下で顕著な効果を示した。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) communication is an emerging technology that can potentially double the throughput of cellular networks. Preliminary studies in single-cell or small FD network deployments have revealed promising rate gains using self-interference cancellation (SIC) techniques and receive processing. Nevertheless, the system-level performance gains of FD small cells in ultra-dense networks (UDNs) have not been fully investigated yet. In this paper, we evaluate the performance of resource allocation in ultra-dense FD small-cell networks using spatial stochastic models for the network layout and 3GPP channel models. More specifically, we consider various UDN scenarios and assess the performance of different low-complexity user-scheduling schemes and power allocation between uplink and downlink. We also provide useful insights into the effect of the SIC capability on the network throughput.

研究の動機と目的

• 実際の展開状況下における、超密ネットワーク（UDNs）内のフルデュプレックス（FD）スモールセルのシステムレベル性能を評価すること。
• FD対応UDNsにおけるネットワークスルーレートに与えるユーザースケジューリングおよびパワー割り当ての影響を調査すること。
• 自己干渉キャンセレーション（SIC）能力と基地局密度が、FD性能向上に与える影響を定量化すること。
• さまざまなネットワーク条件下、および最適パワー割り当て（OPA）有無の下で、低複雑性ユーザースケジューリングアルゴリズムの性能を比較すること。

提案手法

• スモールセル基地局（BS）の空間的分布を表現するために、ハードコア点過程（HCPP）を用いてUDNのレイアウトをモデル化する。
• 現実の伝搬状態を反映させるために、3GPPチャネルモデルを用いて路損およびシャドウイングを組み込む。
• 3つの低複雑性ユーザースケジューリングアルゴリズムを提案：Alg. 1（上行リンク／下行リンクの独立選択）、Alg. 2（下行リンク最適化）、Alg. 3（合計スルーレートを共同最適化）。
• すべてのアルゴリズムに最適パワー割り当て（OPA）を適用し、上行リンク（UL）および下行リンク（DL）の送信パワーをバランスさせる。
• 自己干渉、同頻帯干渉、ユーザ間干渉を考慮した、上行リンクおよび下行リンクの信号対干渉＋ノイズ比（SINR）の式を導出する。
• モンテカルロシミュレーションを用い、経験的累積分布関数（CDF）を用いて、基地局密度およびSIC能力の変動に伴う上行リンク、下行リンク、合計スルーレートを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな低複雑性ユーザースケジューリングアルゴリズムは、FD UDNにおける上行リンク、下行リンク、合計スルーレートにおいて、どのように性能を発揮するか？
• RQ2 最適パワー割り当て（OPA）は、FDスモールセルにおけるユーザースケジューリングアルゴリズムの性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 基地局密度は、FD UDNにおける合計スルーレートおよび干渉レベルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 半二重モード（HD）と比較して、FD運用を実現可能にするために必要な最小限のSIC能力はどの程度か？
• RQ5 複数アンテナ（MIMO）は、FD UDNにおけるユーザースケジューリングアルゴリズムの性能をどのように向上させるか？

主な発見

• 上行リンクおよび下行リンクのユーザ選択を共同最適化するAlg. 3が、すべてのスケジューリングアルゴリズムの中で最高の合計スルーレートを達成した。
• 最適パワー割り当て（OPA）を適用することで、すべてのユーザースケジューリングアルゴリズムの合計スルーレートが向上し、特にAlg. 2およびAlg. 3で顕著な向上が観察された。
• OPAを適用した場合、基地局密度が $10^{-5}$ BSs/m² の条件下で、HDモードと比較してAlg. 2が19.1％の合計スルーレート向上を達成した。
• 十分なSIC能力（$\Omega \geq 110$ dB）がある場合、自己干渉はノイズレベルにまで低下し、FD運用が可能となる。一方、$\Omega = 60$ dB未満ではFD運用が非現実的となり、性能はHDに収束する。
• MIMO構成は、上行リンクおよび下行リンクの両方のスルーレートを顕著に向上させ、特にマルチアンテナ環境下でAlg. 3が最大の向上を示した。
• Alg. 1では、マルチユーザ間干渉が下行リンク性能を著しく劣化させるが、Alg. 2およびAlg. 3は協調的なユーザ選択によりこれを効果的に抑制した。