[논문 리뷰] Full-duplex in 5G Small Cell Access: SystemDesign and Performance Aspects

Jingwen Bai, Shu‐ping Yeh외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 23.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 5G에서 풀드럭스(FD) 소셀 액세스를 가능하게 하기 위한 실용적인 시스템 수준 설계 기법—효율적인 참조 신호 설계, 저부하 CSI 피드백, 저복잡도 전력 제어 및 스케줄링—을 제안한다. 공동 최적화와 최소한의 피드백 오버헤드를 통해 BS 간 간섭과 UE 간 간섭을 효과적으로 완화함으로써, 현실적인 간섭 및 번갈아가며 발생하는 트래픽 조건 하에서도 FD는 반중계 시스템 대비 최대 1.9배의 스펙트럼 효율성 향상과 5–8배의 지연 감소를 달성한다.

ABSTRACT

Recent achievement in self-interference cancellation algorithms enables potential application of full-duplex (FD) in 5G radio access systems. The exponential growth of data traffic in 5G can be supported by having more spectrum and higher spectral efficiency. FD communication promises to double the spectral efficiency by enabling simultaneous uplink and downlink transmissions in the same frequency band. Yet for cellular access network with FD base stations (BS) serving multiple users (UE), additional BS-to-BS and UE-to-UE interferences due to FD operation could diminish the performance gain if not tackled properly. In this article, we address the practical system design aspects to exploit FD gain at network scale. We propose efficient reference signal design, low-overhead channel state information feedback and signalling mechanisms to enable FD operation, and develop low-complexity power control and scheduling algorithms to effectively mitigate new interference introduced by FD operation. We extensively evaluate FD network-wide performance in various deployment scenarios and traffic environment with detailed LTE PHY/MAC modelling. We demonstrate that FD can achieve not only appreciable throughput gains (1.9x), but also significant transmission latency reduction~(5-8x) compared with the half-duplex system.

연구 동기 및 목표

• 이론적 FD 이점과 실질적 구현 간 격차를 메우기 위해 5G 소셀 네트워크에서의 실제 간섭 문제에 대응한다.
• LTE 기반 시스템에서 FD 운영을 가능하게 하는 저복잡도, 확장 가능한 신호 및 피드백 메커니즘(예: 참조 신호, CSI 피드백)을 설계한다.
• 새로운 간섭 원천인 BS 간 간섭과 UE 간 간섭을 대상으로 효과적인 간섭 완화 기법을 개발한다.
• 번갈아가며 발생하는 트래픽을 포함한 현실적인 구현 환경 및 트래픽 모델에서 FD 성능을 평가한다.
• 실제로 구현 가능한 FD가 간섭 문제에도 불구하고 네트워크 수준에서 상당한 스펙트럼 효율성 및 지연 감소 성과를 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 동시 수신/송신 전송에서 정확한 채널 추정을 지원하기 위해 FD 운영에 특화된 새로운 참조 신호 설계를 제안한다.
• 최소한의 신호 전송 오버헤드로 효과적인 간섭 조율을 가능하게 하기 위해 4비트 쌍별 와이드밴드 피드백을 포함한 저부하 CSI 피드백 메커니즘을 도입한다.
• 빔포밍과 노링 기법을 통해 BS 간 간섭과 UE 간 간섭을 공동으로 완화하는 저복잡도 전력 제어 및 스케줄링 알고리즘을 개발한다.
• 다양한 구현 환경에서 성능을 평가하기 위해 정확한 물리계층/MAC 계층 모델링을 구현한 상세한 LTE 기반 시스템 수준 시뮬레이터를 활용한다.
• 성능과 복잡도의 균형을 맞추기 위해 기본 스케줄링과 전력 제어 및 빔포밍을 조합한 하이브리드 스케줄링 접근 방식을 사용한다.
• 푸oisson 파일 도착과 2:1 DL 대 UL 트래픽 비율을 가진 FTP-3 모델을 사용하여 번갈아가며 발생하는 트래픽 조건 하에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제로 발생하는 간섭 원천이 존재하는 5G 소셀에서 실용적인 풀드럭스 운영이 상당한 스펙트럼 효율성 향상과 지연 감소 성과를 달성할 수 있는가?
• RQ2 저부하 CSI 피드백과 참조 신호 설계를 어떻게 최적화하여 실시간에서 효과적인 FD 간섭 완화를 달성할 수 있는가?
• RQ3 BS 간 간섭과 UE 간 간섭은 FD 네트워크 성능에 어떤 영향을 미치며, 어떻게 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ4 번갈아가며 발생하는 트래픽 조건 하에서 FD 성능은 FDD 및 유연한 듀플렉스와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 근사 최적의 FD 성능을 유지하면서 피드백 오버헤드를 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 실내 및 실외 클러스터 배치에서 FD는 공동 스케줄링 조건 하에서 평균적으로 최대 1.9배의 스펙트럼 효율성 향상을 달성하며, 각각 1.9배와 1.81배의 성과를 기록한다.
• 단지 2%의 추가 피드백 오버헤드(예: 4비트 와이드밴드 피드백)로도 전체 피드백 공동 스케줄러 성능의 98%를 유지한다.
• FD는 반중계 시스템 대비 전송 지연을 5–8배 감소시키며, 특히 고부하 조건에서 경계셀 사용자에게 최대 14배의 지연 감소 성과를 기록한다.
• 낮은에서 중간 수준의 트래픽 부하 조건 하에서, FD는 스펙트럼 이중 사용과 큐잉 지연 감소 덕분에 DL 및 UL 모두에서 2배에서 8배의 처리량 향상을 달성한다.
• 부하가 증가함에 따라 FDD를 능가하지 못하고 일관되게 FD 이하의 성능을 보이는 것으로 나타나, FD가 동적 트래픽 환경에서의 우월성을 입증한다.
• 제안된 시스템 수준 설계는 네트워크 수준에서 실용적인 FD 성과를 가능하게 하며, 간섭 완화가 실제 5G 구현 환경에서 FD 잠재력을 해방하는 핵심 요소임을 입증한다.