[論文レビュー] Performance of Network-Assisted Full-Duplex for Cell-Free Massive MIMO

Dongming Wang, Menghan Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 39被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、分散型リモートアンテナユニット（RAU）からの信号を統合処理することで、柔軟でオンデマンドなデュプレックスを可能にする、セルフリーマスMIMOにおけるネットワーク支援型フルデュプレックス（NAFD）を提案する。大次元ランダム行列理論を用いて、不完全なCSIおよび空間相関のもとでの上行リンク合計スループット（MMSE受信機）および下行リンク合計スループット（ZF/RZF beamforming）の決定的同等式を導出。NAFDで半二重モードRAUを採用した場合、インバンドフルデュプレックスよりも高いスペクトル効率を達成しており、さらに遺伝的アルゴリズムに基づくユーザスケジューリングにより下行リンクスループットが向上することを示した。

ABSTRACT

Network assisted full-duplex (NAFD) is a spatial-division duplex technique for future wireless networks with cell-free massive multiple-input multiple-output (CF massive MIMO) network, where a large number of remote antenna units (RAUs), either using half-duplex or full-duplex, jointly support truly flexible duplex including time-division duplex, frequency-division duplex and full duplex on demand of uplink and downlink traffic by using network MIMO methods. With NAFD, bi-directional data rates of the wireless network could be increased and end-to-end delay could be reduced. In this paper, the spectral efficiency of NAFD communications in CF massive MIMO network with imperfect channel state information (CSI) is investigated under spatial correlated channels. Based on large dimensional random matrix theory, the deterministic equivalents for the uplink sum-rate with minimum-mean-square-error (MMSE) receiver as well as the downlink sum-rate with zero-forcing (ZF) and regularized zero-forcing (RZF) beamforming are derived. Numerical results show that under various environmental settings, the deterministic equivalents are accurate in both a large-scale system and system with a finite number of antennas. It is also shown that with the downlink-to-uplink interference cancellation, the uplink spectral efficiency of CF massive MIMO with NAFD could be improved. The spectral efficiencies of NAFD with different duplex configurations such as in-band full-duplex, and half-duplex are compared. With the same total numbers of transmit and receive antennas, NAFD with half-duplex RAUs offers a higher spectral efficiency. To alleviate the uplink-to-downlink interference, a novel genetic algorithm based user scheduling strategy (GAS) is proposed. Simulation results show that the achievable downlink sum-rate by using the GAS is greatly improved compared to that by using the random user scheduling.

研究の動機と目的

• 将来の5G/6Gネットワークにおける柔軟なデュプレックスを実現するため、新規のネットワーク支援型フルデュプレックス（NAFD）フレームワークを用いて、上行リンクから下行リンクへの干渉（CLI）問題を解決すること。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）および空間相関 fading を想定したセルフリーマスMIMOにおけるNAFDのスペクトル効率を分析すること。
• 大次元ランダム行列理論を用いて、上行リンク（MMSE）および下行リンク（ZF、RZF）合計スループットの決定的同等式を導出すること。
• インラインフルデュプレックス、半二重モード、NAFDといったデュプレックス構成間のスペクトル効率を比較し、干渉キャンセリングの影響を評価すること。
• CLIを低減することで下行リンク合計スループットを向上させる遺伝的アルゴリズムに基づくユーザスケジューリング（GAS）戦略の設計

提案手法

• セルフリーマスMIMOにおけるネットワーク支援型フルデュプレックス（NAFD）アーキテクチャを提案。中央プロセッサがRAUを統合制御し、TDD、FDD、フルデュプレックスをオンデマンドで柔軟に実現可能にする。
• 最小平均二乗誤差（MMSE）結合を用いた上行リンク合計スループットおよびゼロフォーサー（ZF）および正則化ゼロフォーサー（RZF）ビームフォーミングを用いた下行リンク合計スループットの決定的同等式を導出する。
• 大次元ランダム行列理論を適用し、不完全なCSIおよび空間相関を想定した状況下でのスペクトル効率の漸近的表現を導出する。
• 上行リンクから下行リンクへの干渉を最小限に抑えるために、新規の遺伝的アルゴリズムに基づくユーザスケジューリング（GAS）戦略を提案。
• 確率的幾何学と行列トレース近似を用いて干渉をモデル化し、SINRおよびスペクトル効率の解析的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NAFDは、不完全なCSIおよび空間相関を想定したセルフリーマスMIMOにおいて、どのようにスペクトル効率を向上させるか？
• RQ2 スペクトル効率という観点から、従来の半二重モードおよびインラインフルデュプレックス構成と比較して、NAFDはどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 NAFD対応セルフリーマスMIMOにおいて、下行リンクから上行リンクへの干渉キャンセリングは、上行リンクのスペクトル効率をどの程度向上させるか？
• RQ4 ランダムスケジューリングと比較して、遺伝的アルゴリズムに基づくユーザスケジューリング戦略は、下行リンク合計スループットを著しく向上させるか？
• RQ5 大次元ランダム行列理論を用いて導出した決定的同等式は、大規模システムおよび有限アンテナ数システムの両方においてどの程度の精度を示すか？

主な発見

• 有限アンテナ数を有するシステムにおいても、上行リンク（MMSE）および下行リンク（ZF/RZF）合計スループットの決定的同等式は非常に高い精度を示し、漸近的解析の妥当性が裏付けられた。
• 同じ合計送信・受信アンテナ数のもとで、半二重モードRAUを用いたNAFDは、インラインフルデュプレックスよりも高いスペクトル効率を達成した。
• 下行リンクから上行リンクへの干渉キャンセリングは、NAFD対応セルフリーマスMIMOシステムにおける上行リンクスペクトル効率を顕著に向上させた。
• 提案された遺伝的アルゴリズムに基づくユーザスケジューリング（GAS）戦略は、ランダムスケジューリングと比較して、下行リンク合計スループットに顕著な向上効果を示した。
• 導出された決定的同等式は、空間相関チャネルや不完全なCSIを含む多様な環境設定においても、安定した性能を示した。