[논문 리뷰] Full-Duplex Cloud Radio Access Network: Stochastic Design and Analysis

Arman Shojaeifard, Kai‐Kit Wong외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 06.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 47인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유한한 클러스터링, 비등방성 fading, 프론트홀 연결 대역폭 제약 조건을 고려한 풀드럭스 클라우드 무선접근망(FD-C-RANs)에서 스펙트럼 효율성(SE)을 분석하기 위한 확률적 프레임워크를 제안한다. 포아송점과정(PPP) 기반 모델링을 통해 간섭 통계를 모멘트 생성함수와 확률 생성함수성분(PGFL)을 이용해 특성화함으로써, 다운링크 및 업링크 SE에 대한 상한을 도출한다. 이는 특히 고용량 프론트홀과 고도의 간섭 제거 기술을 갖춘 경우, 허프드럭스 운영 대비 상당한 SE 향상을 보여준다.

ABSTRACT

Full-duplex (FD) has emerged as a disruptive communications paradigm for enhancing the achievable spectral efficiency (SE), thanks to the recent major breakthroughs in self-interference (SI) mitigation. The FD versus half-duplex (HD) SE gain, in cellular networks, is however largely limited by the mutual-interference (MI) between the downlink (DL) and the uplink (UL). A potential remedy for tackling the MI bottleneck is through cooperative communications. This paper provides a stochastic design and analysis of FD enabled cloud radio access network (C-RAN) under the Poisson point process (PPP)-based abstraction model of multi-antenna radio units (RUs) and user equipments (UEs). We consider different disjoint and user-centric approaches towards the formation of finite clusters in the C-RAN. Contrary to most existing studies, we explicitly take into consideration non-isotropic fading channel conditions and finite-capacity fronthaul links. Accordingly, upper-bound expressions for the C-RAN DL and UL SEs, involving the statistics of all intended and interfering signals, are derived. The performance of the FD C-RAN is investigated through the proposed theoretical framework and Monte-Carlo (MC) simulations. The results indicate that significant FD versus HD C-RAN SE gains can be achieved, particularly in the presence of sufficient-capacity fronthaul links and advanced interference cancellation capabilities.

연구 동기 및 목표

• 업링크(UL)와 다운링크(DL) 전송 간 상호간섭(MI)으로 인해 셀룰러 네트워크에서 풀드럭스(FD)의 스펙트럼 효율성 향상이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 유한한 용량의 프론트홀 링크와 비등방성 페이딩을 포함한 현실적인 시스템 제약 조건 하에서 풀드럭스 기반 클라우드 무선접근망(C-RANs)의 성능을 조사하기 위해.
• 무선 유닛(RUs)과 사용자 단말기(UEs)의 배치를 포아송점과정(PPP) 기반 모델링을 통해 활용하여 FD-C-RANs의 확률적 설계 및 분석 프레임워크를 개발하기 위해.
• 유한한 C-RAN 클러스터 내에서 이격 클러스터링 전략과 사용자 중심 클러스터링 전략을 비교하고, 간섭 및 프론트홀 제약 조건 하에서의 SE에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 의도된 신호와 간섭 신호의 통계를 특성화하여 다운링크(DL) 및 업링크(UL) 스펙트럼 효율성에 대한 해석 가능한 상한 표현식을 유도하기 위해.

제안 방법

• 다중 안테나 RUs와 UEs의 배치를 포아송점과정(PPP)으로 모델링하여 확률적 기하학적 분석이 가능하도록 한다.
• 감마 분포를 따르는 채널 이득의 모멘트 생성함수(MGF)를 이용해 간섭 전력의 MGF를 유도하고, PPP 기반 간섭자 분포를 모델링하기 위해 확률 생성함수성분(PGFL)을 적용한다.
• 간섭 전력 표현식을 단순화하기 위해 근사법 3을 적용하여 채널 이득의 제곱합을 감마분포를 따르는 랜덤 변수로 모델링한다.
• 적분 항등식 $\mathscr{F}_1(.)$과 $\mathscr{F}_2(.)$을 사용하여 이격 클러스터링과 사용자 중심 클러스터링 양쪽 모두에 대해 PGFL 기반 간섭 통계를 폐형식으로 평가한다.
• 의도된 신호의 통계, 이셀 간섭(ICI), 크로스모드 간섭(CMI)을 통합하여 양쪽 클러스터링 전략 하에서 다운링크(DL) 및 업링크(UL) 스펙트럼 효율성에 대한 상한 표현식을 유도한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 정확성을 검증하고, 프론트홀 및 간섭 제거 조건 변화에 따른 시스템 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 클러스터링과 용량 제한된 프론트홀 링크를 갖는 C-RAN에서 풀드럭스(FD)가 허프드럭스(HD) 대비 달성 가능한 스펙트럼 효율성(SE) 향상은 얼마인가?
• RQ2 비등방성 페이딩과 유한한 용량의 프론트홀 링크는 이상 모델에 비해 FD-C-RAN의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 간섭 및 프론트홀 제약 조건 하에서 사용자 중심 클러스터링과 이격 클러스터링 간 상대적인 성능 향상은 어떠한가?
• RQ4 고도의 간섭 제거 기술과 고용량 프론트홀 링크가 FD-C-RAN의 SE 향상에 공동으로 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 현실적인 시스템 가정 하에서 스펙트럼 기하학을 활용해 다운링크 및 업링크 SE에 대한 해석 가능한 상한 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 프론트홀 링크의 용량이 충분하고 간섭 제거가 효과적으로 작용할 경우, C-RAN에서 풀드럭스 대 허프드럭스의 스펙트럼 효율성(SE) 향상이 상당히 달성된다.
• 제안된 확률적 프레임워크는 의도된 신호, 이셀 간섭(ICI), 크로스모드 간섭(CMI)의 통계를 MGF와 PGFL를 통해 정확하게 모델링함으로써 다운링크 및 업링크 SE에 대한 날카운 상한을 제공한다.
• 간섭 제한 영역에서 사용자 중심 클러스터링은 더 나은 간섭 관리와 유리한 채널 통계 덕분에 이격 클러스터링보다 더 높은 SE를 달성한다.
• 비등방성 페이딩 채널은 간섭 통계에 상당한 영향을 미치며, 제안된 모델은 MGF 유도 과정에서 방향성 path loss와 공간 상관성을 통합함으로써 이를 반영한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 분석 결과를 확인하며, 프론트홀 용량이 높아지고 사용자 단말기에서 간섭 제거 성능이 향상될수록 SE 향상이 증가함을 보여준다.
• 이격 클러스터링과 사용자 중심 클러스터링 양쪽 모두에 대해 간섭 통계 표현식이 유효하며, 후자는 국소적 협업과 감소된 클러스터 간섭으로 인해 우수한 성능을 보인다.