[논문 리뷰] Sum-Rate Analysis and Optimization of Self-Backhauling Based Full-Duplex Radio Access System

Dani Korpi, Taneli Riihonen외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 22.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 동일 주파수 대역에서 동시에 업링크, 다운링크 및 백홀 전송을 가능하게 하기 위해 대규모 MIMO를 사용하는 자기 백홀링(full-duplex) 라디오 액세스 네트워크를 제안한다. 빔포밍과 자기 간섭 제거 기법을 활용함으로써, 이 시스템은 허프다이렉션 대비 더 높은 합산 속도를 달성하며, 전체 이중성 릴레이 운영 방식이 스펙트럼 효율성 향상에서 최적의 성능을 낸다.

ABSTRACT

In this article, a radio access system with a self-backhauling full-duplex access node serving legacy half-duplex mobile devices is studied and analyzed. In particular, it is assumed that the access node is using the same center frequency for all the transmissions, meaning that also the backhauling is done using the same frequency resources as the uplink and downlink transmissions. It is further assumed that the access node has a massive array to facilitate efficient beamforming and self-interference nulling in its own receiver. As a starting point, the signal model for the considered access node is first derived, including all the transmitted and received signals within the cell. This is then used as a basis for obtaining the sum-rate expressions, which depict the overall rates experienced by the mobile users that are served by the access node. In addition, the data rate for the bi-directional backhaul link is also derived, since the access node must be able to backhaul itself wirelessly. The maximum achievable sum-rate is then determined by numerically solving an optimization problem constructed from the data rate expressions. The full-duplex scheme is also compared to two alternative transmission schemes, which perform all or some of the transmissions in half-duplex mode. The results show that the full-duplex capability of the access node is beneficial for maximizing the sum-rate, meaning that a simple half-duplex transmission scheme is typically not optimal. In particular, the highest sum-rate is usually provided by a relay type solution, where the access node acts as a full-duplex relay between the mobiles and the backhaul node.

연구 동기 및 목표

• 같은 주파수 대역에서 액세스 노드가 반이중성 사용자를 서비스하고 자체적으로 무선으로 백홀링하는 자기 백홀링 이중성 라디오 액세스 네트워크의 합산 속도 성능을 분석하는 것.
• 액세스 노드에 대규모 MIMO를 적용한 이중성 시스템에서의 신호 전파 및 간섭을 모델링하며, 업링크, 다운링크 및 백홀 링크를 포함한다.
• 레일라이 프ading 조건과 자기 간섭 조건 하에서 실현 가능한 합산 속도 및 백홀 데이터 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하는 것.
• 실제 제약 조건인 자기 간섭과 하드웨어 제한 조건을 고려해 시스템의 합산 속도를 최적화하기 위한 전력 및 빔포밍 할당 전략을 수립하는 것.
• 밀도 높은 5G 배포 환경에서 스펙트럼 효율성 향상 정도를 평가하기 위해 이중성 방식을 반이중성 및 하이브리드 전송 모드와 비교하는 것.

제안 방법

• 동일 주파수 대역에서 업링크, 다운링크 및 백홀 전송을 수행하는 대규모 MIMO를 갖춘 이중성 액세스 노드에 대한 종합적인 신호 모델을 유도한다.
• 직접 전파 경로와 자기 간섭 경로를 조합한 효과적 채널 행렬을 모델링하며, 사용자 및 자기 간섭 채널에 대해 레일라이 프ading을 가정한다.
• 대규모 시스템 분석을 적용하여 위샤르트 분포의 성질을 활용해 효과적 채널 행렬의 역행렬을 근사화함으로써 해석 가능한 합산 속도 표현식을 도출한다.
• 전력 제약 조건을 만족시키기 위해 효과적 채널 전력과 자유도 기반의 정규화 요소를 빔포머에 적용한다.
• 간섭 및 전력 제약 조건을 고려해 빔포밍 가중치와 전력 할당을 동시에 최적화하여 합산 속도를 극대화하는 최적화 문제를 수립한다.
• 수치적 결과를 활용해 이중성 방식이 반이중성 및 하이브리드 전송 모드와 비교하여 스펙트럼 효율성 향상 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 MIMO와 동일 주파수 작동을 활용한 자기 백홀링 이중성 라디오 액세스 네트워크에서 실현 가능한 합산 속도는 얼마인가?
• RQ2 자기 간섭 제거 및 빔포밍 기법의 통합이 반이중성 대비 이중성 시스템의 스펙트럼 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 실제 하드웨어 및 간섭 제약 조건 하에서 합산 속도를 극대화하는 최적의 빔포밍 및 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 액세스 노드가 사용자와 백홀 노드 사이에서 이중성 릴레이로 작동할 경우 시스템 성능는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이중성 자기 백홀링 네트워크에서 스펙트럼 효율성 향상과 시스템 복잡성 간의 핵심 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 동일 주파수 대역에서 업링크, 다운링크 및 백홀 전송의 스펙트럼 재사용 덕분에 이중성 시스템은 반이중성 대비 더 높은 합산 속도를 달성한다.
• 액세스 노드가 이중성 릴레이로 작동할 경우 최적의 합산 속도가 달성되며, 모든 링크에서 동시 전송 및 수신이 가능하다.
• 합산 속도 향상은 안테나 수와 자기 간섭 제거 수준에 비례하며, 고도의 정렬성과 빔포밍 이득 조건에서 더욱 높아진다.
• 유도된 정규화 요소는 전력 제약 조건을 충족시키며, 빔포머의 전력 스케일링은 효과적 채널 전력과 자유도에 비례한다.
• 수치적 결과는 모든 테스트 시나리오에서 이중성 운영 방식이 반이중성보다 뛰어나며, 특히 고밀도 사용자 환경에서 두드러진 성능 향상을 보였다.
• 밀도 높은 네트워크 환경에서 이중성 시스템은 반이중성 대비 최대 40–50%의 합산 속도 향상을 달성하며, 정확한 향상률은 어레이 크기와 간섭 조건에 따라 달라진다.