[논문 리뷰] Uplink and Downlink Performance Bounds for Full Duplex Cellular Networks

Askar Mandali Kundu, Rudrashish Pal외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 04.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전체 이중성(FD) 셀룰러 네트워크에서 사용자-기지국 분포를 모델링하기 위해 마테른 클러스터 프로세스를 사용하고, 업링크에 분수력 제어를 적용하여 업링크 및 다운링크 성능을 분석한다. 결과적으로 FD는 다운링크 속도를 향상시키지만, 동일 주파수 간섭으로 인해 업링크 성능이 심각하게 악화되며, 이로 인해 성능 트레이드오프가 발생한다. 이 문제를 완화하기 위해 저전력 기지국의 고밀도 배치 전략이 효과적임을 제안한다.

ABSTRACT

With Full Duplex (FD), wireless terminal is capable of transmitting and receiving data simultaneously in the same frequency resources, however, it introduces self interference and co-channel interference. Even though various signal processing techniques are emerged to cancel the self interference, the bottleneck for FD performance in cellular systems is the co-channel interference from the other uplink and downlink signals. In this work we have studied both the uplink and downlink performances of a FD cellular network, where users employ fractional power control in uplink. We use Matern Cluster Process to model the network, which provides a tractable and realistic model to characterize the user-base station distances which are needed for uplink power control. Based on the obtained coverage probabilities, rates and their robust approximations, we show that while FD improves downlink performance, it severely hurts the uplink performance. Also, we provide a trade-off between uplink and downlink performances. Our study suggests dense deployment of low power base stations can improve the performance of FD system.

연구 동기 및 목표

• 전체 이중성 셀룰러 네트워크에서 업링크와 다운링크 간 성능 트레이드오프를 평가하기 위해.
• 정확한 업링크 전력 제어를 위해 사용자-기지국 간 거리 분포를 현실적으로 모델링하기 위해 마테른 클러스터 프로세스를 사용하기 위해.
• FD 시스템에서 동일 주파수 간섭이 업링크 및 다운링크 속도에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 업링크 성능 악화를 완화하면서도 다운링크 성능 향상을 유지할 수 있는 배치 전략을 규명하기 위해.

제안 방법

• 사용자 및 기지국 간 공간 분포를 현실적으로 반영하기 위해 셀룰러 네트워크를 마테른 클러스터 프로세스로 모델링하기 위해.
• 서버 기지국과의 거리에 따라 전송 전력을 조절하기 위해 사용자 측에 분수력 제어를 적용하기 위해.
• 스토케스틱 기하학을 사용하여 업링크 및 다운링크의 커버리지 확률 및 스펙트럼 효율에 대한 폐쇄형 표현식 유도하기 위해.
• 다양한 네트워크 밀도 및 간섭 조건 하에서 시스템 성능을 분석하기 위해 다루기 쉬운 근사치를 사용하기 위해.
• 다양한 배치 시나리오에서 커버리지 및 속도 지표를 비교함으로써 업링크와 다운링크 간 성능 트레이드오프 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 이중성 운영은 셀룰러 네트워크에서 업링크 및 다운링크 커버리지 확률과 스펙트럼 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 자기 간섭 제거 기술이 적용된 상태에서도 동일 주파수 간섭이 업링크 성능을 얼마나 심각하게 악화시키는가?
• RQ3 마테른 클러스터 프로세스로 모델링된 사용자 및 기지국의 공간 분포가 업링크 전력 제어 및 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 배치 조건 하에서 전체 이중성 네트워크에서 업링크와 다운링크 간 성능 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 저전력 기지국의 고밀도 배치가 전체적으로 FD 셀룰러 시스템의 성능 균형을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 전체 이중성 운영은 동일 주파수에서 동시 송수신이 가능하므로 다운링크 성능을 향상시킨다.
• 자기 간섭 제거 기술이 적용된 상태에서도 동일 주파수 간섭으로 인해 업링크 성능이 심각하게 악화되며, 이는 FD 시스템에서 주요 성능 저하 요인이다.
• 마테른 클러스터 프로세스는 사용자-기지국 간 거리에 대해 현실적이면서도 다루기 쉬운 모델을 제공하여 정확한 업링크 전력 제어 및 성능 평가를 가능하게 한다.
• 업링크와 다운링크 성능 간에 상당한 트레이드오프가 존재하며, 다운링크 성능 향상은 업링크 성능 저하로 상쇄된다.
• 저전력 기지국의 고밀도 배치는 업링크 성능 악화를 효과적으로 완화하고 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.