[논문 리뷰] Can Uplink Transmissions Survive in Full-duplex Cellular Environments?

Hesham ElSawy, Ahmad AlAmmouri외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 09.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 펄스 성형과 매칭 필터링을 결합한 부분 스펙트럼 겹침을 허용하는 α-듀플렉스 기법을 제안하여, 전면 이중화(FD) 셀룰러 네트워크에서 업링크와 다운링크의 전송률을 균형 있게 맞추고자 한다. 이 기법은 기존의 FD 운영 방식에서 발생하는 크로스모드 간섭으로 인해 심각하게 악화되는 업링크 성능 문제(1000배 이상의 성능 저하)를 해결하며, 업링크와 다운링크 모두에서 동시에 30%의 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In-band full-duplex (FD) communication is considered a potential candidate to be adopted by the fifth generation (5G) cellular networks. FD communication renders the entire spectrum simultaneously accessible by uplink and downlink, and hence, is optimistically promoted to double the transmission rate. While this is true for a single communication link, cross-mode interference (i.e., interference between uplink and downlink) may diminish the full-duplexing gain. This paper studies FD operation in large-scale cellular networks with real base stations (BSs) locations and 3GPP propagation environment. The results show that the uplink is the bottleneck for FD operation due to the overwhelming cross-mode interference from BSs. Operating uplink and downlink on a common set of channels in an FD fashion improves the downlink rate but significantly degrades (over 1000-fold) the uplink rate. Therefore, we propose the $α$-duplex scheme to balance the tradeoff between the uplink and downlink rates via adjustable partial overlap between uplink and downlink channels. The $α$-duplex scheme can provide a simultaneous $30\%$ improvement in each of the uplink and downlink rates. To this end, we discuss the backward compatibility of the $α$-duplex scheme with half-duplex user-terminals. Finally, we point out future research directions for FD enabled cellular networks.

연구 동기 및 목표

• 실제 기지국(BS) 위치와 3GPP 전파 조건을 반영한 현실적인 전면 이중화(FD) 셀룰러 네트워크에서 업링크 전송의 실현 가능성을 조사한다.
• 전면 이중화 운영 방식에서 발생하는 크로스모드 간섭으로 인해 발생하는 업링크 전송률의 심각한 성능 저하를 규명하고 정량화한다.
• 반환 호환성 있는 하향링크 단일화 사용자 장비와의 공존을 보장하면서 업링크와 다운링크 전송률을 균형 있게 맞추는 실용적인 해결책을 제안한다.
• 실제 네트워크 배치 조건에서 제안된 α-듀플렉스 기법의 스펙트럼 효율성 및 간섭 억제 성능을 평가한다.

제안 방법

• 본 연구는 영국 주요 통신사의 런던 도심지역 네트워크에서 확보한 실제 기지국(BS) 위치와 3GPP 전파 모델을 기반으로 한 현실적인 네트워크 토폴로지 데이터를 사용한다.
• α-듀플렉스 기법은 업링크 및 다운링크 주파수 대역 간 조절 가능한 부분적 겹침을 허용하는 유연한 이중화 전략으로 도입된다.
• 크로스모드 간섭을 억제하고 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 향상시키기 위해 펄스 성형과 매칭 필터링을 적용한다.
• 시스템 수준의 시뮬레이션을 통해 α-듀플렉스의 성능을 기존의 전면 이중화 및 하향링크 단일화 모드와 비교 평가한다.
• 본 기법은 전면 이중화 장치가 탑재되지 않은 하향링크 단일화 사용자 단말기와도 호환되도록 설계되어, 전면 이중화 장치가 탑재된 사용자 장치가 필요 없이 공존이 가능하다.
• 향후 간섭 누설 최소화와 스펙트럼 효율성 극대화를 위한 펄스 웨이브폼 최적화는 향후 연구 과제로 제기된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 기지국 위치와 전파 조건을 반영한 현실적인 셀룰러 네트워크에서 전면 이중화 운영 방식이 업링크 및 다운링크 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다운링크 전송으로 인한 크로스모드 간섭이 전면 이중화 셀룰러 네트워크의 업링크 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 부분 스펙트럼 겹침 기반 기법(α-듀플렉스)이 높은 스펙트럼 효율성을 유지하면서 업링크와 다운링크 전송률을 효과적으로 균형 있게 맞출 수 있는가?
• RQ4 업링크 및 다운링크 전송률 향상 측면에서 α-듀플렉스 기법은 기존의 전면 이중화 및 하향링크 단일화 모드 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ5 기존의 하향링크 단일화 사용자 장비와의 호환성이 있는가? 이는 전면 이중화 장치가 탑재된 단말기가 필요 없이 실용적인 배포가 가능한지를 의미한다.

주요 결과

• 기존의 전면 이중화 운영 방식은 다운링크에서 업링크로의 크로스모드 간섭이 지나치게 강해 업링크 스펙트럼 효율성이 1000배 이상 저하되는 심각한 성능 저하를 초래한다.
• α-듀플렉스 기법은 기존의 전면 이중화 및 하향링크 단일화 모드 대비 업링크 및 다운링크 전송률을 동시에 30% 향상시킨다.
• 활성된 다운링크 전송으로 인한 심각한 크로스모드 간섭으로 인해 업링크가 FD 셀룰러 네트워크에서 주요 성능 저하 요인로 규명되었다.
• 실제 시뮬레이션 환경에서의 결과는 이전의 스토케스티컬 기하학 모델의 결과와 일반성을 공유하지만, 절대적인 수준에서 업링크 성능 저하가 더욱 심각한 것으로 확인되었다.
• α-듀플렉스 기법은 하향링크 단일화 사용자 단말기와의 후행 호환성이 확보되어, 전면 이중화 장치가 탑재된 사용자 장치가 필요 없이 배포가 가능하다.
• 향후 최적화된 펄스 성형 및 분산 이중화 파rameter 최적화를 통해 간섭 억제 성능과 스펙트럼 효율성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.