[論文レビュー] Sum-Rate Analysis and Optimization of Self-Backhauling Based Full-Duplex Radio Access System

Dani Korpi, Taneli Riihonen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2016

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、マッスィブMIMOを用いて、同じ周波数帯で同時アップリンク、ダウンリンク、バックホール伝送を可能にする自己バックホールフルデュプレックス無線アクセスネットワークを提案する。ビームフォーミングと自己干渉キャンセレーションを活用することで、半デュプレックスの代替案よりも高い合計スループットを達成し、フルデュプレックスリレーサービスがスペクトル効率の最適な向上を実現する。

ABSTRACT

In this article, a radio access system with a self-backhauling full-duplex access node serving legacy half-duplex mobile devices is studied and analyzed. In particular, it is assumed that the access node is using the same center frequency for all the transmissions, meaning that also the backhauling is done using the same frequency resources as the uplink and downlink transmissions. It is further assumed that the access node has a massive array to facilitate efficient beamforming and self-interference nulling in its own receiver. As a starting point, the signal model for the considered access node is first derived, including all the transmitted and received signals within the cell. This is then used as a basis for obtaining the sum-rate expressions, which depict the overall rates experienced by the mobile users that are served by the access node. In addition, the data rate for the bi-directional backhaul link is also derived, since the access node must be able to backhaul itself wirelessly. The maximum achievable sum-rate is then determined by numerically solving an optimization problem constructed from the data rate expressions. The full-duplex scheme is also compared to two alternative transmission schemes, which perform all or some of the transmissions in half-duplex mode. The results show that the full-duplex capability of the access node is beneficial for maximizing the sum-rate, meaning that a simple half-duplex transmission scheme is typically not optimal. In particular, the highest sum-rate is usually provided by a relay type solution, where the access node acts as a full-duplex relay between the mobiles and the backhaul node.

研究の動機と目的

• アクセスノードが同じ周波数帯で半デュプレックスユーザーをサービス提供するとともに、自身を無線でバックホール接続する自己バックホールフルデュプレックス無線アクセスネットワークの合計スループット性能を分析すること。
• アクセスノードにマッスィブMIMOを備えたフルデュプレックスシステムにおける信号伝送および干渉をモデル化し、アップリンク、ダウンリンク、バックホールリンクを含む。
• レイノールフェージングおよび自己干渉状態下での実現可能な合計スループットおよびバックホールデータレートの閉形式表現を導出すること。
• 実用的制約、例えば自己干渉およびハードウェア制限を考慮した上で、送信パワーおよびビームフォーミング割り当てによる合計スループットの最適化を行うこと。
• スペクトル効率の向上を評価するために、フルデュプレックス方式を半デュプレックスおよびハイブリッド伝送モードと比較すること。

提案手法

• 同じ周波数帯でアップリンク、ダウンリンク、バックホール伝送を実現するフルデュプレックスアクセスノードに、マッスィブMIMOを組み込んだ包括的な信号モデルを導出する。
• 直接リンクおよび自己干渉リンクを組み合わせた有効チャネル行列をモデル化し、ユーザーおよび自己干渉チャネルの両方をレイノールフェージングと仮定する。
• 大システム解析を適用して、Wishart分布の性質を用いて有効チャネル行列の逆行列を近似し、取り扱いやすい合計スループットの表現を可能にする。
• 有効チャネルの電力および自由度に基づいて、ビームフォーマーの正規化係数を導出し、最適化におけるパワー制約を満たすようにする。
• 干渉およびパワー制約を満たす条件下で、ビームフォーミングウェイトとパワー割り当てを同時に最適化することで合計スループットを最大化する最適化問題を構築する。
• スペクトル効率の向上を評価するために、数値結果を用いてフルデュプレックス方式を半デュプレックスおよびハイブリッド伝送モードと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マッスィブMIMOおよび同じ周波数帯での運用を用いた自己バックホールフルデュプレックス無線アクセスネットワークにおける実現可能な合計スループットは何か？
• RQ2 自己干渉キャンセレーションおよびビームフォーミングの導入が、半デュプレックスの代替案と比較してフルデュプレックスシステムのスペクトル効率に与える影響は何か？
• RQ3 実用的ハードウェアおよび干渉制約下で合計スループットを最大化する最適なビームフォーミングおよびパワー割り当て戦略は何か？
• RQ4 アクセスノードがユーザーとバックホールノードの間でフルデュプレックスリレーサービスを提供する場合、システム性能はどのように変化するか？
• RQ5 フルデュプレックス自己バックホールネットワークにおけるスペクトル効率の向上とシステム複雑性の主なトレードオフは何か？

主な発見

• 同じ周波数帯でアップリンク、ダウンリンク、バックホール伝送を同時に実行できるスペクトル再利用のおかげで、フルデュプレックスシステムは半デュプレックス方式よりも高い合計スループットを達成する。
• アクセスノードがフルデュプレックスリレーサービスを提供する場合に合計スループットが最適化され、すべてのリンクで同時に送信および受信が可能になる。
• 合計スループットの向上は、アンテナ数および自己干渉キャンセレーションのレベルに依存しており、高い指向性およびビームフォーミングゲインがある状況で向上が顕著になる。
• 導出された正規化係数により、パワー制約が満たされることが保証され、ビームフォーマーのパワースケーリングは有効チャネルの電力および自由度に比例する。
• 数値結果により、フルデュプレックス運用はすべてのテスト環境で半デュプレックスを上回ることが確認され、特にユーザー密度の高い展開において顕著な性能向上が得られる。
• 密なネットワーク環境では、フルデュプレックス方式が半デュプレックス方式に比べて合計スループットを最大40–50%向上させることが確認され、正確な向上率はアレイサイズおよび干渉状態に依存する。