[논문 리뷰] Performance Analysis of Millimeter-Wave Relaying: Impacts of Beamwidth and Self-Interference

Guang Yang, Ming Xiao|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 21.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 레이저 채널 모델과 가우시안 유형의 방향성 안테나를 사용하여 밀리미터웨이브 수신 증폭 및 전달(AF) 리레이팅 시스템에서 최대 달성 가능한 속도를 분석한다. 수신기 간섭이 낮고 빔폭이 좁을 경우에만 전반통신(FD) 리레이팅이 반반통신(HD)을 능가하며, 그 외의 경우 직접 전송이 더 우수하다. 지상 반사파의 영향은 성능에 크게 기여하며, 간섭을 유도할 수도 있고, 상쇄 효과를 줄 수도 있다.

ABSTRACT

We study the maximum achievable rate of a two-hop amplified-and-forward (AF) relaying millimeter-wave (mm-wave) system, where two AF relaying schemes, i.e., half-duplex (HD) and full-duplex (FD) are discussed. By considering the two-ray mm-wave channel and the Gaussian-type directional antenna, jointly, the impacts of the beamwidth and the self-interference coefficient on maximum achievable rates are investigated. Results show that, under a sum-power constraint, the rate of FD-AF mm-wave relaying outperforms its HD counterpart only when antennas with narrower beamwidth and smaller self-interference coefficient are applied. However, when the sum-power budget is sufficiently high or the beamwidth of directional antenna is sufficiently small, direct transmission becomes the best strategy, rather than the AF relaying schemes. For both relaying schemes, we show that the rates of both AF relaying schemes scale as $ \mathcal{O}\left(\min\left\lbraceθ_m^{-1},θ_m^{-2} ight brace ight) $ with respect to beamwidth $ θ_ m $, and the rate of FD-AF relaying scales as $ \mathcal{O}\left(μ^{-\frac{1}{2}} ight) $ with respect to self-interference coefficient $ μ$. Besides, we show that, ground reflections may significantly affect the performance of mm-wave communications, constructively or destructively. Thus, the impact of ground reflections deserves careful considerations for analyzing or designing future mm-wave wireless networks.

연구 동기 및 목표

• 현실적인 채널 및 안테나 모델을 적용한 이중호밍 밀리미터웨이브 AF 리레이팅 시스템에서 최대 달성 가능한 속도를 분석하기 위해.
• 빔폭과 자기간섭 계수의 시스템 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 고출력 또는 좁은 빔폭 조건에서 직접 전송이 AF 리레이팅을 능가할 수 있는지 평가하기 위해.
• 두 레이저 채널 모델을 통해 지상 반사파를 통합하고, 그들이 간섭을 유도하는가 또는 상쇄하는가를 평가하기 위해.
• 실제 복사 패턴의 루프오프 특성을 반영하는 가우시안 유형의 방향성 안테나를 사용하여 분석이 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• 직선 통로 및 지상 반사 경로를 포함하는 두 레이저 밀리미터웨이브 채널 모델을 사용한다.
• 연속적인 메인로브에서 사이드로브로의 루프오프 특성을 표현하기 위해 가우시안 유형의 방향성 안테나 모델을 적용하여, 평탄한 상단 또는 섹터형 모델보다 현실성 있는 표현을 제공한다.
• 합산 전력 제약 조건 하에서 반반통신(HD) 및 전반통신(FD) AF 리레이팅 방식을 모두 분석한다.
• 최대 달성 가능한 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하고, 빔폭 및 자기간섭 계수에 따른 스케일링 행동을 분석한다.
• 점근적 분석을 통해 스케일링 법칙 유도: 빔폭에 대해 O(min{θ⁻¹ₘ, θ⁻²ₘ}) 및 자기간섭 계수에 대해 O(µ⁻¹ᐟ²)의 스케일링 법칙을 도출한다.
• 주요 성능 추세를 검증하기 위해 수학적 증명(예: 단조성 및 볼록성 분석)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리미터웨이브 시스템에서 FD-AF 리레이팅이 HD-AF 리레이팅을 능가하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 빔폭과 자기간섭 계수의 조합이 최대 달성 가능한 속도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 밀리미터웨이브 네트워크에서 언제 직접 전송이 AF 리레이팅을 능가하게 되는가?
• RQ4 지상 반사파가 밀리미터웨이브 리레이팅 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 언제 간섭을 유도하거나 상쇄하는가?
• RQ5 빔폭 및 자기간섭 계수에 따른 달성 가능한 속도의 기본 스케일링 법칙은 무엇인가?

주요 결과

• FD-AF 리레이팅이 HD-AF 리레이팅을 능가하는 것은 빔폭이 좁고 자기간섭 계수가 작을 경우에만 해당한다.
• 합산 전력이 충분히 높거나 빔폭이 충분히 좁을 경우, 직접 전송은 양방향 AF 리레이팅 방식보다 더 높은 속도를 달성한다.
• 최대 달성 가능한 속도는 빔폭 θₘ에 대해 O(min{θ⁻¹ₘ, θ⁻²ₘ})로 스케일링되며, 빔폭과 속도 향상 간의 상충 관계를 나타낸다.
• FD-AF 리레이팅의 경우, 자기간섭 계수 µ에 대해 속도가 O(µ⁻¹ᐟ²)로 스케일링되며 잔류 간섭에 매우 민감함을 보여준다.
• 지상 반사파의 영향은 성능에 크게 기여하며, 상호 간섭 또는 상쇄 간섭을 유도할 수 있으므로 정확한 시스템 평가를 위해 신중한 모델링이 필요하다.
• 자기간섭 제거 성능이 중간 정도일지라도 FD-AF 리레이팅과 이상적인 상한선(µ=0) 간의 성능 격차는 작아, 초강력 제거 하드웨어가 반드시 필요로 하지는 않는다.