[论文解读] A Stochastic Geometry Framework for Asynchronous Full-Duplex Networks.

Andrea Munari, Petri Mähönen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 25被引用 5

一句话总结

本文提出了一种随机几何框架，用于分析具有随机接入的异步全双工（FD）无线网络，建模了干扰和自干扰效应。推导了关键性能指标的闭式表达式，揭示了传输时长、自干扰消除与全双工节点密度之间的权衡，同时量化了与时隙系统相比，由于异步性导致的性能损失。

ABSTRACT

In-band full-duplex is emerging as a promising solution to enhance throughput in wireless networks. Allowing nodes to simultaneously send and receive data over the same bandwidth can potentially double the system capacity, and a good degree of maturity has been reached in terms of physical layer design with practical demonstrations in simple topologies. However, the true potential of full-duplex at a system level is yet to be fully understood. In this paper, we introduce an analytical framework based on stochastic geometry that captures the behaviour of large full-duplex networks implementing an asynchronous random access policy. Via closed-form expressions we discuss the key tradeoffs that characterise these systems, exploring among the rest the role of transmission duration, imperfect self- interference cancellation and fraction of full-duplex nodes in the network. We also provide protocol design principles, and our comparison with slotted systems sheds light on the performance loss induced by the lack of synchronism.

研究动机与目标

• 理解大规模异步全双工无线网络的系统级性能。
• 建模随机接入和缺乏同步对网络容量与干扰的影响。
• 量化传输时长、自干扰消除与全双工节点比例之间的权衡。
• 基于分析性能指标，推导异步FD协议的设计原则。
• 将异步FD系统与时隙FD系统进行比较，并量化由于异步性导致的性能损失。

提出的方法

• 使用随机几何方法建模大规模网络中发射机与接收机的空间分布。
• 采用泊松点过程表示随机节点位置，并推导干扰统计特性。
• 通过已知分布的随机变量建模残余自干扰，以体现自干扰消除的不完美性。
• 利用拉普拉斯变换与概率生成函数技术，推导覆盖概率与频谱效率的闭式表达式。
• 引入一种异步随机接入策略，其中传输时间随机偏移，以捕捉缺乏帧同步的情况。
• 将推导出的性能指标与时隙FD系统的性能进行比较，以量化异步性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机接入中缺乏同步如何影响全双工网络中的覆盖概率与频谱效率？
• RQ2 传输时长对异步全双工系统性能有何影响？
• RQ3 不完美的自干扰消除如何限制全双工操作的性能增益？
• RQ4 在异步网络中，需要多大比例的全双工节点才能实现显著的频谱效率增益？
• RQ5 与时隙全双工系统相比，使用异步接入会带来多大性能损失？

主要发现

• 由于传输错位导致的干扰增加，异步FD网络的覆盖概率显著低于时隙系统。
• 全双工操作带来的频谱效率增益对残余自干扰水平高度敏感，当超过某一阈值后性能急剧下降。
• 存在最优传输时长，可在延长传输带来的益处与增加的干扰及自干扰暴露之间实现平衡。
• 全双工节点比例越高，频谱效率越高，但由于共信道干扰增加，增益在达到某一密度后趋于饱和。
• 由于异步性导致的性能损失是可量化的，且取决于传输时长和活跃发射机的密度。