[논문 리뷰] Half-Duplex or Full-Duplex Relaying: A Capacity Analysis under Self-Interference

Nirmal V. Shende, Özgür Gürbüz외 1명|Sabanci University|2013. 03. 01.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 3노드 네트워크에서 반중계(HD)와 전중계(FD) 중계 방식을 비교하며, 중계기의 전송 전력에 의존하는 현실적인 잔여 자기간섭 모델을 사용한다. 중계기 전력이 최적으로 스케일링되고 중계기가 충분한 안테나를 갖추면, 특히 고 SNR에서 FD 중계가 HD를 능가함을 보여주며, 성능 향상은 안테나 또는 RF 체인 보존 시나리오에 따라 달라진다.

ABSTRACT

In this paper multi-antenna half-duplex and full-duplex relaying are compared from the perspective of achievable rates. Full-duplexing operation requires additional resources at the relay such as antennas and RF chains for self-interference cancellation. Using a practical model for the residual self-interference, full-duplex achievable rates and degrees of freedom are computed for the cases for which the relay has the same number of antennas or the same number of RF chains as in the half-duplex case, and compared with their half-duplex counterparts. It is shown that power scaling at the relay is necessary to maximize the the degrees of freedom in the full-duplex mode.

연구 동기 및 목표

• 다중 안테나 중계 네트워크에서 전중계 중계의 실용적 성능 향상도를 반중계 중계와 비교 평가하는 것.
• 실제 실험적으로 유도된 전력에 의존하는 자기간섭 모델을 사용하여 잔여 자기간섭이 가용 비트율과 도메인 자유도(DoF)에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 안테나 보존 및 RF 체인 보존이라는 두 가지 공정한 자원 제약 조건 하에서 HD와 FD 중계를 비교하는 것.
• 전력 제어 및 하드웨어 제약 조건을 고려할 때 FD 중계가 HD 중계보다 더 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는 조건을 규명하는 것.
• 전중계 모드에서 도메인 자유도와 가용 비트율을 최대화하기 위해 중계기 전력 스케일링의 역할을 규명하는 것.

제안 방법

• 논문 [2]에서 유도된 실용적인 실험 기반 자기간섭 모델을 사용하며, 잔여 간섭 전력은 중계기 전송 전력과 채널 추정치에 비례한다.
• 해당 모델을 기반으로 디코딩-포워딩 프로토콜과 MIMO 신호 처리를 사용하여 유한 SNR 조건에서 HD 및 FD 모드의 가용 비트율을 분석한다.
• 고 SNR 조건에서 HD 및 FD 모드의 도메인 자유도(DoF)를 유도하며, 안테나 보존 및 RF 체인 보존 시나리오에 대한 DoF에 대한 닫힌 형태의 수식을 도출한다.
• FD 모드에서 중계기 전송 전력을 최적화하기 위해 전력 제어 파라미터 τ를 도입하여 간섭 억제와 스펙트럼 효율 간의 균형을 맞춘다.
• 두 가지 시나리오를 기반으로 비교 분석을 수행한다: (1) HD 및 FD 모드에서 중계기의 총 안테나 수가 동일하고, (2) 두 모드에서 총 RF 체인 수가 동일하다.
• 간섭 및 하드웨어 자원 제약 조건 하에서 비음향 및 전력 할당 최적화를 적용하여 가용 비트율과 DoF를 최대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가용 비트율과 도메인 자유도 측면에서 전중계 중계가 반중계 중계를 능가하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 중계기 전송 전력의 함수로 모델링된 잔여 자기간섭은 HD와 FD 중계 간의 성능 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 전중계 모드에서 중계기 전력 제어는 가용 비트율과 DoF를 최대화하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 안테나 보존 및 RF 체인 보존 시나리오는 HD와 FD 중계 간의 성능 비교에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 FD 중계가 HD 중계를 능가하기 시작하는 중계기의 안테나 수나 RF 체인 수의 임계값은 얼마인가?

주요 결과

• 중계기가 충분한 안테나를 갖고 있으며 전송 전력이 적절히 스케일링되면 전중계 중계가 반중계 중계보다 더 높은 도메인 자유도를 달성한다. 안테나 보존 조건에서는 DoF_FD^AC = (1/(2−λ)) × min{N, N_R/2}이다.
• RF 체인 보존 조건에서는 FD 중계의 DoF는 DoF_FD^RC = (1/(2−λ)) × min{N, ⌊2N_R/3⌋}이며, 일반적으로 안테나 보존 조건보다 낮다.
• FD가 HD를 능가하는 성능 교차점은 자기간섭 억제 요소 λ, 소스/대상지의 안테나 수 N, 중계기 안테나 수 N_R에 따라 달라진다.
• 중계기-대상지 링크의 SNR이 소스-중계 링크보다 훨씬 높을 경우, 비대칭 링크 조건에서 전력 활용도가 더 높기 때문에 반중계 중계가 더 바람직하다.
• 고 SNR 조건에서 소스 및 중계기 전력이 모두 스케일링되면, 특히 N_R ≥ 2N일 경우 FD 중계가 HD 중계보다 더 높은 DoF를 달성하며 스펙트럼 효율적 우월성을 확보한다.
• FD 모드에서 최적의 전력 제어—임계값을 초과하는 중계기 전송 전력 제한—는 잔여 자기간섭을 억제하고 스펙트럼 효율을 최대화하는 데 필수적이다.