[논문 리뷰] Impact of Directionality on Interference Mitigation in Full-Duplex Cellular Network

Constantinos Psomas, Mohammadali Mohammadi외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 08.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스토하스틱 기하학을 사용하여 전방향성 안테나가 풀디럭스(FD) 이동통신 네트워크에서 간섭을 어떻게 완화하는지 조사한다. 두 노드 및 세 노드 FD 아키텍처 모두 빔포밍으로부터 상당한 이점을 얻는다. 루프백 간섭 감소 및 동일 주파수 간섭 감소를 위한 모델을 유도하며, 성공 확률과 전송률을 최대화하기 위해 특정 밀도 비율로 두 아키텍처를 조합함으로써 최적의 네트워크 성능을 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we consider two fundamental full-duplex (FD) architectures, two-node and three-node, in the context of cellular networks where the terminals employ directional antennas. The simultaneous transmission and reception of data in non-orthogonal channels makes FD radio a potential solution for the currently limited spectrum. However, its implementation generates high levels of interference either in the form of loopback interference (LI) from the output to the input antenna of a transceiver or in the form of co-channel interference in large-scale multicell networks due to the large number of active links. Using a stochastic geometry model, we investigate how directional antennas can control and mitigate the co-channel interference. Furthermore, we provide a model which characterizes the way directional antennas manage the LI in order to passively suppress it. Our results show that both architectures can benefit significantly by the employment of directional antennas. Finally, we consider the case where both architectures are employed in the network and derive the optimal values for the density fraction of each architecture which maximize the success probability and the network throughput.

연구 동기 및 목표

• 전방향성 안테나가 풀디럭스 이동통신 네트워크에서 동일 주파수 간섭과 루프백 간섭에 미치는 영향을 분석하기.
• 전송 및 수신 빔 간의 각도 분리에 의해 수동적으로 루프백 간섭을 억제하는 모델링하기.
• 전방향성 전송 조건 하에서 두 개의 FD 아키텍처—두 노드 및 세 노드—의 성능 향상을 평가하기.
• 네트워크 성공 확률과 전송률을 최대화하는 데 최적의 각 아키텍처의 밀도 비율 유도하기.
• 대규모 FD 다셀 네트워크에서 전방향성 안테나를 고려한 간섭 분석을 위한 스토하스틱 기하학 기반 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 기지국과 사용자를 스토하스틱 기하학 프레임워크 내에서 포아송 점 프로세스(PPP) 모델로 표현한다.
• 전송 및 수신 빔 간의 각도 분리에 따라 의존하는 방향성 빔 패턴 함수 $ f_{\theta}(\theta, \theta_{\text{max}}) $ 를 사용해 루프백 간섭(LI) 억제를 모델링한다.
• 신호 대 간섭 + 노이즈 비율(SINR)을 계산하기 위해 업링크, 다운링크 및 루프백 소스에서 유도된 간섭 전력의 라플라스 변환을 유도한다.
• 밀도 비율 $ p^{\mathsf{2N}} $ 과 $ p^{\mathsf{3N}} $ 을 각각 사용하여 두 노드 및 세 노드 FD 아키텍처를 조합한 하이브리드 네트워크 모델을 도입한다.
• 과거의 모멘트 생성 함수(MGF) 기법과 랜덤 변수에 대한 기대값을 사용하여 장애 발생 확률 및 성공 확률을 계산한다.
• 수동 억제가 효과가 없을 경우(즉, $ f_{\ell} > 1 $)를 처리하기 위해 간섭 억제 모델에서 $ \min $ 연산자를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전방향성 빔포밍은 풀디럭스 이동통신 네트워크에서 동일 주파수 간섭을 어떻게 감소시키는가?
• RQ2 전방향성 안테나는 FD 트랜시iever에서 루프백 간섭을 얼마나 효과적으로 수동으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 성공 확률과 전송률을 최대화하기 위한 두 노드 및 세 노드 FD 아키텍처의 최적 밀도 비율은 무엇인가?
• RQ4 두 노드 및 세 노드 FD 아키텍처의 조합은 독립적 구현에 비해 전체 네트워크 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 빔폭과 각도 분리는 전방향 FD 시스템에서 잔류 루프백 간섭 전력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 전방향성 안테나는 전송 에너지를 집중시키고 간섭을 받는 단말 수를 줄임으로써 동일 주파수 간섭을 상당히 감소시킨다.
• 전송 및 수신 빔이 서로 다른 방향을 햖을 경우, 특히 $ \theta_{\text{max}} \in [\pi/2, \pi] $ 일 때, 루프백 간섭의 수동 억제가 효과적이다.
• 세 노드 FD 아키텍처는 더 나은 각도 분리와 빔포밍 이득 덕분에 두 노드 아키텍처보다 더 나은 간섭 억제 성능을 달성한다.
• 세 노드 아키텍처의 최적 밀도 비율은 약 0.6이며, 이는 성공 확률과 네트워크 전송률을 모두 최대화한다.
• 최적의 아키텍처 배치와 함께 전방향성 안테나를 사용할 경우 성공 확률과 전송률이 최대 40% 향상된다.
• 유도된 간섭 필드에 대한 라플라스 변환은 하이브리드 FD 네트워크에서 SINR 및 장애 발생 확률의 정확한 성능 평가를 가능하게 한다.