[논문 리뷰] Large Antenna Analysis of Multi-Cell Full-Duplex Networks

Jingwen Bai, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 16.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 대량의 안테나를 갖춘 기지국을 갖춘 다셀 풀드럭스 MIMO 네트워크에서 실용적인 손상 요인인 파ilot 오염, 채널 추정 오차, 불완전한 자기 간섭 제거를 고려하여 업링크 및 다운링크의 평균 가용 신속도를 분석한다. 이는 대량 안테나 환경에서 풀드럭스가 허프드럭스 대비 2배의 스펙트럼 효율성 향상을 유지함을 보여주며, 유한한 시스템에서는 더 적은 안테나 수로도 상당한 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We study a multi-cell multi-user MIMO full-duplex network, where each base station (BS) has multiple antennas with full-duplex capability supporting single-antenna users with either full-duplex or half-duplex radios. We characterize the up- and downlink ergodic achievable rates for the case of linear precoders and receivers. The rate analysis includes practical constraints such as imperfect self- interference cancellation, channel estimation error, training overhead and pilot contamination. We show that the 2X gain of full-duplex over half-duplex system remains in the asymptotic regime where the number of BS antennas grows infinitely large. We numerically evaluate the finite SNR and antenna performance, which reveals that full-duplex networks can use significantly fewer antennas to achieve spectral efficiency gain over the half-duplex counterparts. In addition, the overall full-duplex gains can be achieved under realistic 3GPP multi-cell network settings despite the increased interference introduced in the full-duplex networks.

연구 동기 및 목표

• 다량의 안테나를 갖춘 기지국을 갖춘 다셀 풀드럭스 MIMO 네트워크에서 업링크 및 다운링크의 평균 가용 신속도를 특성화하는 것.
• 파일럿 오염, 채널 추정 오차, 훈련 오버헤드, 불완전한 자기 간섭 제거와 같은 실용적 손상 요인을 고려하는 것.
• 기지국 안테나 수가 무한히 증가하는 점근적 영역에서 풀드럭스가 허프드럭스 대비 2배의 스펙트럼 효율성 향상이 유지되는지 평가하는 것.
• 유한한 신호 대 잡음비(SNR) 및 유한한 안테나 수 조건에서의 성능를 평가하여, 풀드럭스 네트워크가 허프드럭스 대비 수많은 안테나가 필요로 하지 않게도 성능 향상을 달성할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 선형 프리코딩기 및 수신기를 사용하여 업링크 및 다운링크의 평균 가용 신속도 표현식을 유도한다.
• 풀드럭스 운영에서 발생하는 간섭을 모델링하며, 업링크 사용자 및 인접 기지국으로부터 발생하는 이웃셀 간섭 및 내부셀 간섭을 포함한다.
• 대규모 시스템 분석 기법을 적용하여 중심극한정리 근사 및 위샤르트 행렬 성질을 활용하여 채널 이득 곱의 기대값을 계산한다.
• MMSE 채널 추정을 사용하여 추정 오차를 모델링하고, 불완전한 CSI 하에서의 효과적 채널 이득의 분산 표현식을 유도한다.
• 훈련 오버헤드와 파일럿 오염을 포함하기 위해 파일럿 오염을 평균이 0인 복소수 가우시안 랜덤 변수로 모델링하며, 알려진 분산을 갖는다.
• 랜덤 행렬 이론의 결과를 활용하여 채널 추정치와 오차 항수에 대한 기대값을 계산함으로써 가용 신속도의 닫힌 형태 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적 손상 요인이 존재하는 다셀 대량 MIMO 환경에서 풀드럭스가 허프드럭스 대비 2배의 스펙트럼 효율성 향상이 유지되는가?
• RQ2 파일럿 오염과 채널 추정 오차는 대량 안테나 기지국을 갖춘 풀드럭스 다셀 네트워크의 평균 신속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기지국 안테나 수가 무한히 증가하는 점근적 영역에서 풀드럭스의 이득이 유지되는가?
• RQ4 유한한 신호 대 잡음비(SNR) 및 유한한 안테나 수 조건에서 풀드럭스 네트워크는 허프드럭스 시스템 대비 어떤 성능 상충 관계를 보이는가?
• RQ5 증가한 간섭에도 불구하고 현실적인 3GPP 다셀 네트워크 조건에서 전체 풀드럭스 이득을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 기지국 안테나 수가 무한히 증가함에 따라, 불완전한 자기 간섭 제거 조건에서도 풀드럭스가 허프드럭스 대비 2배의 스펙트럼 효율성 향상이 점근적으로 유지됨을 보여준다.
• 점근적 영역에서 내부셀 및 이웃셀 간섭, 채널 추정 오차의 영향은 안테나 수가 증가함에 따라 사라진다.
• 풀드럭스 사용자만을 서비스하는 경우 2배의 이득이 유지되지만, 허프드럭스 사용자가 존재할 경우 훈련 오버헤드와 파일럿 오염 영향으로 인해 이득이 유지되지 않는다.
• 유한한 신호 대 잡음비(SNR) 시뮬레이션 결과, 풀드럭스 네트워크는 허프드럭스 시스템과 동일한 스펙트럼 효율성을 훨씬 적은 안테나 수로도 달성할 수 있음이 확인되었다.
• 증가한 간섭에도 불구하고 현실적인 3GPP 다셀 네트워크 시나리오에서 전체 풀드럭스 이득을 달성할 수 있으며, 이는 실용적 타당성을 검증한다.