[論文レビュー] Throughput Analysis for Full-Duplex Wireless Networks with Imperfect Self-interference Cancellation

Zhen Tong, Martin Haenggi|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 20被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、不完全な自己干渉キャンセレーションを伴う全二重モード（FD）無線ネットワークのスループット性能を、確率的幾何学的手法を用いて分析している。FDがHDを上回るためには、自己干渉がしきい値未満に抑える必要があり、ALOHAプロトコルでは最大スループットゲインが$\frac{2\alpha}{\alpha+2}$で上限づけられ、FDが有益であるために必要な干渉キャンセレーションレベルを定量的に特定している。

ABSTRACT

This paper investigates the throughput for wireless network with full-duplex radios using stochastic geometry. Full-duplex (FD) radios can exchange data simultaneously with each other. On the other hand, the downside of FD transmission is that it will inevitably cause extra interference to the network compared to half-duplex (HD) transmission. Moreover, the residual self-interference has negative effects on the network throughput. In this paper, we focus on a wireless network of nodes with both HD and FD capabilities and derive and optimize the throughput in such a network. Our analytical result shows that if the network is adapting an ALOHA protocol, the maximal throughput is achieved by scheduling all concurrently transmitting nodes to work in either FD mode or HD mode depending on one simple condition. Moreover, the effects of imperfect self-interference cancellation on the signal-to-interference ratio (SIR) loss and throughput are also analyzed based on our mathematical model. We rigorously quantify the impact of imperfect self-interference cancellation on the throughput gain, transmission range, and other metrics, and we establish the minimum amount of self-interference suppression needed for FD to be beneficial.

研究の動機と目的

• 不完全な自己干渉キャンセレーション下での全二重モード（FD）無線ネットワークのスループットゲインを、半二重モード（HD）と比較して分析すること。
• 混合HD/FDネットワークにおける、FDがHDを上回るスループットを達成する条件を特定すること。
• FDがHDを上回る利点をもたらすために必要な最小の自己干渉キャンセレーションレベルを定量化すること。
• 残存自己干渉による信号対干渉比（SIR）損失をモデル化し、その上限を求める。
• FDとHDが等しいスループットを達成するブレークイーブン・ポイント（等価点）を、干渉キャンセレーションレベルとリンク距離に応じて特定すること。

提案手法

• ノードがHDまたはFDモードで動作可能なポアソン点過程（PPP）として無線ネットワークをモデル化する。
• 確率的幾何学的手法を用いて、不完全な自己干渉キャンセレーション下でのHDおよびFDリンクの信号対干渉比（SIR）分布を導出する。
• 水平シフトの概念を用いて、残存自己干渉によって引き起こされるSIR損失をきめ細かく上限づける。
• SIRしきい値、路損失指数$\alpha$、自己干渉キャンセレーションレベル$\beta$に依存するFDのHDに対するスループットゲイン（TG）を関数として導出する。
• FDモードとHDモードにおける平均送信レートの比を用いて、スループットゲインの解析的上限を確立する。
• ALOHA MACプロトコルを想定し、最適スケジューリング方針を導出する：すべてのノードは、SIRしきい値と干渉抑制の単一の条件に従ってFDまたはHDモードで動作すべきである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全二重送信がスループットの観点で半二重送信を上回る条件は何か？
• RQ2 ALOHAアクセスを伴うランダムな無線ネットワークにおいて、FDがHDを上回る最大のスループットゲインは何か？
• RQ3 不完全な自己干渉キャンセレーションは、FDネットワークにおける信号対干渉比（SIR）とスループットにどのように影響するか？
• RQ4 FDがHDを上回るネットスループットゲインをもたらすために必要な最小の自己干渉キャンセレーションレベルは何か？
• RQ5 FDとHDが等しいスループットを達成するブレークイーブン・ポイントは、リンク距離とキャンセレーション性能にどのように依存するか？

主な発見

• FDとHDの最大スループットゲインは$\frac{2\alpha}{\alpha+2}$で上限づけられ、実用的な路損失指数範囲$\alpha \in (2,4]$では0から33％の間で変動する。
• 完全な自己干渉キャンセレーションの場合、スループットゲインはSIRしきい値に応じて増加し、SIRしきい値が大きくなると$\frac{2}{1+\delta}$に近づく。
• 不完全な自己干渉キャンセレーションがある場合、スループットゲインは1未満に低下し、キャンセレーションが不十分な場合にはHDがFDを上回る。
• 自己干渉キャンセレーションレベル（dB単位）はリンク距離に対して対数的に比例するため、長距離リンクではFDが有益になるようにするために顕著に高いキャンセレーションが必要となる。
• SIR損失はSIR分布の水平シフトを用いてきめ細かく上限づけられており、性能劣化の正確な測定が可能である。
• ブレークイーブン・ポイント（FDとHDが等しいスループットを達成する点）は、自己干渉キャンセレーションの程度とリンク距離に依存し、長距離ではFDが有利になるようにするためにより優れたキャンセレーションが求められる。