[論文レビュー] Resource Allocation in Heterogenous Full-duplex OFDMA Networks: Design and Analysis

Peyman Tehrani, Farshad Lahouti+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、不完全な全二重動作、自己干渉、およびハイブリッドHD/FDユーザーの共同配置を考慮した、異種全二重OFDMAネットワークにおける共同サブチャンネルおよび電力割り当てアルゴリズムを提案する。この手法により、フェムトユーザーの重み付き和スループットを最大化するとともに、マクロユーザーのデータレートを保護する。自己干渉の抑圧が臨界閾値を超える場合にのみスループットが2倍に達するが、それ以下の場合は残存干渉によって利得が制限される。

ABSTRACT

Recent studies indicate the feasibility of full-duplex (FD) bidirectional wireless communications. Due to its potential to increase the capacity, analyzing the performance of a cellular network that contains full-duplex devices is crucial. In this paper, we consider maximizing the weighted sum-rate of downlink and uplink of an FD heterogeneous OFDMA network where each cell consists of an imperfect FD base-station (BS) and a mixture of half-duplex and imperfect full-duplex mobile users. To this end, first, the joint problem of sub-channel assignment and power allocation for a single cell network is investigated. Then, the proposed algorithms are extended for solving the optimization problem for an FD heterogeneous network in which intra-cell and inter-cell interferences are taken into account. Simulation results demonstrate that in a single cell network, when all the users and the BSs are perfect FD nodes, the network throughput could be doubled. Otherwise, the performance improvement is limited by the inter-cell interference, inter-node interference, and self-interference. We also investigate the effect of the percentage of FD users on the network performance in both indoor and outdoor scenarios, and analyze the effect of the self-interference cancellation capability of the FD nodes on the network performance.

研究の動機と目的

• 不完全な全二重ベースステーションとハイブリッドHD/FDユーザーを有する異種全二重OFDMAネットワークにおいて、重み付き和スループットを最大化するリソース割り当てフレームワークの設計。
• 自己干渉抑圧能力がネットワーク性能に与える影響、特に屋内と屋外環境における影響の分析。
• 半二重システムを上回るスループット向上を達成するための最小自己干渉抑圧レベルの特定。
• 単セルおよびマルチセル環境下でのFDユーザーの割合がスペクトル効率に与える影響の評価。

提案手法

• ハイブリッドHDおよびFDユーザーを有する単セルFD OFDMAネットワークにおける、共同サブチャンネル割り当てと電力割り当て問題の定式化。
• マクロユーザーのQoS制約を満たす条件下で、凸最適化技術を用いて電力割り当て部分問題を解く。
• セル内およびセル間干渉を考慮した、異種マルチセルネットワークにおけるサブチャンネル割り当てと電力割り当ての共同最適化のための反復的アルゴリズムの適用。
• 自己干渉抑圧の閾値ベース分析を導入し、FD利得が消える臨界抑圧レベルを導出。
• 実際の伝搬条件を反映するためのパスロスモデルとシミュレーション設定を用いて、マクロおよびフェムトセルを含む性能評価。
• 自己干渉レベルやユーザー比を変化させたシナリオにおいて、FD-FD、FD-HD、HDオンリーカンfigurationとの比較によるシミュレーションによる理論的考察の妥当性の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全二重ネットワークが半二重ネットワークを上回るスペクトル効率を達成するための最小自己干渉抑圧レベルは何か？
• RQ2 FDユーザーの割合が屋内および屋外環境における全体のネットワークスループットに与える影響はどの程度か？
• RQ3 セル間干渉およびノード間干渉が、不完全な全二重ノードを有する全二重OFDMAネットワークの容量向上をどの程度制限するか？
• RQ4 提案されたリソース割り当てアルゴリズムは、マクロユーザーの最小レート制約を満たしつつ、異種ネットワークで顕著なスペクトル効率の向上を達成できるか？
• RQ5 マルチセルFD OFDMA環境下で、マクロセルのレート要件とフェムトセルの和スループット性能のトレードオフはどのように現れるか？

主な発見

• すべてのユーザーおよび基地局が完全な全二重ノードである場合、ネットワークのスペクトル効率は2倍に達し、理論的な容量向上は100%に達する。
• 不完全な全二重動作を想定した場合、実際のスループット向上は残存自己干渉、ノード間干渉、およびセル間干渉によって制限される。
• 屋内環境では、ノードの10%にのみ全二重機能を搭載しても、ノード間干渉が低減されるため、スループットの顕著な向上が得られる。
• 屋外環境では、パスロスや伝搬条件の制限により、FDユーザーの割合を増やしてもスループット向上はわずかにしか得られない。
• 自己干渉抑圧の臨界閾値が存在する。この閾値が約-90 dB〜-120 dB（シナリオに応じて）未満である場合、FDネットワークは半二重ネットワークを上回れない。
• シミュレーション結果は、自己干渉抑圧閾値に関する理論的分析を強く裏付けており、理論的予測と観測された性能の間に良好な一致が確認された。