[논문 리뷰] Resource Allocation in Heterogenous Full-duplex OFDMA Networks: Design and Analysis

Peyman Tehrani, Farshad Lahouti외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 08.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이질적 풀드럭스 OFDMA 네트워크에서 피크티유 사용자의 가중합비율을 최대화하면서 매크로 사용자들의 비율을 보호하기 위해 공동 서브채널 및 전력 할당 알고리즘을 제안한다. 불완전한 풀드럭스 운영, 자기간섭, 혼합 HD/FD 사용자 배치를 고려하여, 자기간섭 제거가 임계 임계값을 초과해야만 총역대가 두 배로 증가하고, 그렇지 않으면 잔여간섭에 의해 이득이 제한됨을 보여준다.

ABSTRACT

Recent studies indicate the feasibility of full-duplex (FD) bidirectional wireless communications. Due to its potential to increase the capacity, analyzing the performance of a cellular network that contains full-duplex devices is crucial. In this paper, we consider maximizing the weighted sum-rate of downlink and uplink of an FD heterogeneous OFDMA network where each cell consists of an imperfect FD base-station (BS) and a mixture of half-duplex and imperfect full-duplex mobile users. To this end, first, the joint problem of sub-channel assignment and power allocation for a single cell network is investigated. Then, the proposed algorithms are extended for solving the optimization problem for an FD heterogeneous network in which intra-cell and inter-cell interferences are taken into account. Simulation results demonstrate that in a single cell network, when all the users and the BSs are perfect FD nodes, the network throughput could be doubled. Otherwise, the performance improvement is limited by the inter-cell interference, inter-node interference, and self-interference. We also investigate the effect of the percentage of FD users on the network performance in both indoor and outdoor scenarios, and analyze the effect of the self-interference cancellation capability of the FD nodes on the network performance.

연구 동기 및 목표

• 이종 풀드럭스 OFDMA 네트워크에서 불완전한 FD 기지국과 혼합 HD/FD 사용자를 고려하여 가중합비율을 최대화하는 자원 할당 프레임워크를 설계하기.
• 자기간섭 제거 능력이 네트워크 성능에 미치는 영향을 분석하며, 특히 실내 및 실외 환경에서의 영향을 고려하기.
• 풀드럭스 시스템에 비해 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 필요한 최소 자기간섭 제거 수준을 규명하기.
• 싱글셀 및 멀티셀 환경에서 FD 사용자 비율이 스펙트럼 효율성에 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• 혼합 HD 및 FD 사용자를 고려한 싱글셀 FD OFDMA 네트워크에서 공동 서브채널 할당 및 전력 할당 문제를 수립한다.
• 매크로 사용자에 대한 품질보증 조건을 충족시키는 조건 하에 전력 할당 하위문제를 해결하기 위해 볼록 최적화 기법을 사용한다.
• 내세포 및 간섭세포 간 간섭을 고려하여 이종 멀티셀 네트워크에서 서브채널 할당과 전력 할당을 동시에 최적화하기 위해 반복 알고리즘을 적용한다.
• 자기간섭 제거에 대한 임계값 기반 분석을 도입하여, FD 이득이 사라지는 임계 제거 수준을 유도한다.
• 실제 전파 조건을 반영하기 위해 경로 손실 모델과 매크로 및 페미토 셀을 포함한 시뮬레이션 설정을 사용하여 성능을 평가한다.
• 자기간섭 수준과 사용자 비율이 다양할 때 FD-FD, FD-HD, HD-only 구성 간 비교를 통해 이론적 결과를 시뮬레이션으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀드럭스 네트워크가 스펙트럼 효율성 측면에서 허프드럭스 네트워크를 능가하기 위해 필요한 최소 자기간섭 제거 수준은 무엇인가?
• RQ2 풀드럭스 사용자 비율이 실내 및 실외 환경에서 전체 네트워크 총역대에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 불완전한 FD 노드를 갖는 풀드럭스 OFDMA 네트워크에서 간섭세포 및 간섭노드 간섭이 스펙트럼 용량 향상에 얼마나 제한적인가?
• RQ4 제안된 자원 할당 알고리즘이 매크로 사용자에 대한 최소 비율 요구사항을 충족시키면서도 이종 네트워크에서 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ5 멀티셀 FD OFDMA 환경에서 매크로 셀 비율 요구사항과 페미토 셀 합비율 성능 간의 트레이드오프는 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 모든 사용자 및 기지국이 이상적인 풀드럭스 노드인 경우, 네트워크 스펙트럼 효율은 두 배로 증가하여 이론적 용량 이득 100%를 달성할 수 있다.
• 불완전한 풀드럭스 운영 조건에서는 실제 총역대 이득이 잔여 자기간섭, 노드 간섭, 간섭세포 간섭에 의해 제한된다.
• 실내 환경에서는 단지 10%의 노드에 풀드럭스 기능을 부여하기만 해도 간섭세포 간섭 감소로 인해 총역대가 크게 증가한다.
• 실외 환경에서는 경로 손실 및 전파 조건이 풀드럭스 운영의 이점을 제한하기 때문에 FD 사용자 비율을 높여도 이득이 미미하다.
• 자기간섭 제거의 임계값이 존재한다; 이 값이 약 -90 dB에서 -120 dB 사이(상황에 따라 다름) 이하일 경우, 풀드럭스 네트워크는 허프드럭스 네트워크를 능가할 수 없다.
• 시뮬레이션 결과는 자기간섭 제거 임계값에 대한 이론적 분석을 확인하였으며, 분석 예측과 관측된 성능 간 강한 일치를 보였다.