[논문 리뷰] Network-Assisted Full-Duplex Cell-Free Massive MIMO: Spectral and Energy Efficiencies

Mohammadali Mohammadi, Tung T. Vu외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 14.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 반결절 접근점이 사용되는 반결절 액세스 포인트를 활용하여 동시에 업링크 및 다운링크 전송을 가능하게 하는 네트워크 지원 전이중성(NAFD) 셀리스 매크로MIMO 시스템을 제안한다. 이는 스펙트럼 및 에너지 효율을 극대화하기 위해 액세스 포인트 모드 할당, 전력 제어, 대규모 fading 복원 가중치를 공동 최적화한다. 수치 결과는 기존의 반결절 및 전이중성 방식에 비해 스펙트럼 효율성에서 최대 30% 향상되고 에너지 효율성에서 최대 200% 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

We consider network-assisted full-duplex (NAFD) cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) systems, where full-duplex (FD) transmission is virtually realized via half-duplex (HD) hardware devices. The HD access points (APs) operating in uplink (UL) mode and those operating in downlink (DL) mode simultaneously serve DL and UL user equipments (UEs) in the same frequency bands. We comprehensively analyze the performance of NAFD CF-mMIMO from both a spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) perspectives. Specifically, we propose a joint optimization approach that designs the AP mode assignment, power control, and large-scale fading (LSFD) weights to improve the sum SE and EE of NAFD CF-mMIMO systems. We formulate two mixed-integer nonconvex optimization problems of maximizing the sum SE and EE, under realistic power consumption models, and the constraints on minimum individual SE requirements, maximum transmit power at each DL AP and UL UE. The challenging formulated problems are transformed into tractable forms and two novel algorithms are proposed to solve them using successive convex approximation techniques. More importantly, our approach can be applied to jointly optimize power control and LSFD weights for maximizing the sum SE and EE of HD and FD CF-mMIMO systems, which, to date, has not been studied. Numerical results show that: (a) our joint optimization approach significantly outperforms the heuristic approaches in terms of both sum SE and EE; (b) in CF-mMIMO systems, the NAFD scheme can provide approximately 30\% SE gains, while achieving a remarkable EE gain of up to 200\% compared with the HD and FD schemes.

연구 동기 및 목표

• 자기 간섭 및 크로스링크 간섭으로 인해 전이중성 셀리스 매크로MIMO(CF-mMIMO) 시스템에서 높은 전력 소모와 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 반결절 및 전이중성 CF-mMIMO의 한계를 극복하기 위해 유연하고 네트워크 지원 전이중성(NAFD) 아키텍처를 도입하여 액세스 포인트 전송 모드를 동적으로 할당함으로써.
• 실제 하드웨어 및 서비스 품질 제약 조건 하에서 합산 스펙트럼 및 에너지 효율을 극대화하기 위해 액세스 포인트 모드 할당, 전력 제어, 대규모 fading 복원 가중치를 공동 최적화하기 위해.
• NAFD CF-mMIMO에서 발생하는 혼합정수 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 실용적인 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 액세스 포인트가 업링크, 다운링크 또는 하이브리드 모드로 작동하는 네트워크 지원 전이중성(NAFD) CF-mMIMO 아키텍처를 제안하며, 이는 전이중성 하드웨어 없이도 동시에 전송 및 수신을 가능하게 한다.
• 액세스 포인트 모드 할당, 전송 전력 제어, 대규모 fading 복원(LSFD) 가중치를 동시에 설계하여 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키는 공동 최적화 프레임워크를 도입한다.
• 회로 및 전송 전력 포함 실질적인 전력 소비 모델을 수립하고, 합산 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 극대화하기 위한 두 가지 혼합정수 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 사용하여 해석 가능한 형태로 변환하여 효율적인 알고리즘적 해법을 가능하게 한다.
• 사용-그리고-버리기 용량 경계 기법을 활용하여 다운링크 스펙트럼 효율성에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 목적 신호 전력, 비례형 빔포밍 불확실성, 크로스링크 간섭을 고려한다.
• 제안된 방법의 타당성을 수치 결과를 통해 검증하며, 히우리스틱 기반 방법과의 비교를 통해 스펙트럼 및 에너지 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 입증한다.

Figure 1 : Illustration of a NAFD CF-mMIMO system with the assigned UL and DL APs along with the received desired and interference signals at a typical DL UE and UL AP.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 지원 전이중성(NAFD) CF-mMIMO 아키텍처가 기존의 반결절 및 전이중성 시스템에 비해 스펙트럼 및 에너지 효율성 측면에서 뚜렷한 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ2 NAFD CF-mMIMO에서 액세스 포인트 모드 할당, 전력 제어, 대규모 fading 복원 가중치의 공동 최적화가 합산 스펙트럼 및 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반결절 액세스 포인트를 사용하는 NAFD CF-mMIMO에서 자기 간섭 및 크로스링크 간섭 완화와 에너지 효율성 간의 상호 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 제안된 공동 최적화 프레임워크가 히우리스틱 접근 방식에 비해 스펙트럼 및 에너지 효율성 측면에서 얼마나 뛰어나게 성능을 냅니다?
• RQ5 실제 하드웨어 및 서비스 품질 제약 조건 하에서 NAFD 기법이 기존의 전이중성 및 반결절 CF-mMIMO에 비해 성능 면에서 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 제안된 공동 최적화 방법은 히우리스틱 기반 방법에 비해 합산 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성 측면에서 뚜렷한 우수성을 보이며, 통합 설계의 효과성을 입증한다.
• NAFD 기법은 기존의 반결절 및 전이중성 CF-mMIMO 시스템에 비해 약 30% 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• NAFD 기법은 반결절 및 전이중성 대비 놀라운 에너지 효율성 향상(최대 200%)을 달성한다.
• 전력 제어 및 대규모 fading 복원 가중치의 공동 최적화를 통해 하이브리드-이중성 및 유연한-이중성 CF-mMIMO 네트워크에서 간섭 관리 및 스펙트럼 효율성 향상을 향상시킨다.
• 순차적 볼록 근사 기법을 활용함으로써 기존에는 해결이 어려운 혼합정수 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있었다.
• 유도된 스펙트럼 효율성 표현식은 빔포밍 불확실성, 다른 사용자로부터의 크로스링크 간섭, 효과적 노이즈를 고려하여 정확한 성능 평가를 가능하게 한다.

(a) Average sum SE versus the number of APs ( $K_{d}\!=\!K_{u}\!=\!4$ ).