[논문 리뷰] Full-Duplex Cellular Networks: It Works!

Rongpeng Li, Yan Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 11.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 편용식(FD) 작동 방식을 피코 기지국(BS)에 적용할 경우, 자가간섭제거(SIC) 능력이 110 dB로 제한되어 있더라도 셀룰러 네트워크의 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다. 거리 기반 사용자 페어링과 이진 전력 제어를 조합함으로써 FD 네트워크는 허프디프(FD) 네트워크 대비 최대 80% 높은 스펙트럼 효율을 달성하며, 이는 FD 기술이 실질적인 셀룰러 배포에 가능함을 증명한다.

ABSTRACT

Full-duplex (FD) communications with bidirectional transmitting and receiving at the same time and frequency radio resource have long been deemed a promising way to boost spectrum efficiency, but hindered by the techniques for self-interference cancellation (SIC). Recent breakthroughs in analog and digital signal processing yield the feasibility of beyond $100$ dB SIC capability and make it possible for FD communications to demonstrate nearly doubled spectrum efficiency for point-to-point links. Now it is time to shift at least partial of our focus to full duplex networking, such as in cellular networks, since it is not straightforward but demanding novel and more complicated interference management techniques. Before putting FD networking into practice, we need to understand that what scenarios FD communications should be applied in under the current technology maturity, how bad the performance will be if we do nothing to deal with the newly introduced interference, and most importantly, how much improvement could be achieved after applying advanced solutions. This article will shed light on these questions.

연구 동기 및 목표

• 이질적 셀룰러 네트워크 내 피코 기지국(BS)에 풀디플렉스(FD) 기능을 도입할 경우의 실현 가능성과 성능 향상을 평가하는 것.
• 실제 구현 환경에서 풀디플렉스 셀룰러 네트워크 내에서 가장 중요한 간섭 유형, 특히 내세포 간 사용자 간 간섭(intra-cell inter-UE interference)을 규명하는 것.
• 자기간섭제거(SIC) 능력이 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하고, 긍정적인 성능 향상을 얻기 위한 최소 SIC 수준을 도출하는 것.
• 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 극대화하기 위한 실용적인 간섭 관리 전략—예를 들어 사용자 페어링과 이진 전력 제어—를 설계하고 평가하는 것.
• 네트워크 밀도화와 사용자 분포 변화에 따라 풀디플렉스 셀룰러 네트워크에서 스펙트럼 효율(SE)과 에너지 효율(EE) 간의 상충 관계를 분석하는 것.

제안 방법

• 마이크로셀 커버리지 내에 외부 대역 피코 BS가 배치된 이질적 네트워크를 대상으로 하며, 마이크로 BS와 사용자 단말(UE)은 모두 허프디프(HD) 모드를 유지한다.
• 단위 대역폭당 총 상行(UL) 및 하행(DL) 전송량의 합으로 시스템 스펙트럼 효율(SE)을 모델링하며, 공식을 사용한다: SE = (T_tot^UL + T_tot^DL) / B_tot.
• 합산율 향상이 HD 성능을 초월할 경우에만 FD 작동을 허용하는 이진 전력 제어 방식을 적용하여 성능 저하를 방지한다.
• 주로 내세포 간 사용자 간 간섭을 완화하기 위해 거리 기반의 통합 비례정의(PF) 스케줄링을 사용한 사용자 페어링 기법을 도입한다.
• 사용자 페어링과 이진 전력 제어를 융합하여 사용자 분포(균일 또는 군집형)에 따라 적응 가능한 하이브리드 간섭 관리 전략을 구성한다.
• 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 SIC 능력(80 dB에서 110 dB까지)과 네트워크 밀도화(마이크로 BS당 피코 BS 수 3~15개) 변화에 따른 SE와 EE를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀디플렉스(FD) 피코 BS가 허프디플렉스(HD) 네트워크 대비 순 스펙트럼 효율 향상을 달성하기 위해 필요한 최소 자가간섭제거(SIC) 능력은 얼마인가?
• RQ2 실제 구현 조건에서 풀디플렉스 셀룰러 네트워크 내에서 가장 지배적인 간섭 유형은 무엇인가? (이격 사용자 간, 이격 기지국 간, 잔류 자기간섭)
• RQ3 사용자 분포(균일 vs. 군집형)는 풀디플렉스 셀룰러 네트워크의 성능 향상과 간섭 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 사용자 페어링과 이진 전력 제어와 같은 간섭 관리 기법이 풀디플렉스 네트워크의 스펙트럼 효율과 에너지 효율 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 피코 BS 수가 증가함에 따라 풀디플렉스 셀룰러 네트워크에서 스펙트럼 효율(SE)과 에너지 효율(EE) 간의 상충 관계는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 110 dB SIC 능력이 확보된 경우, 균일한 사용자 분포에서는 FD 피코 BS가 HD 네트워크 대비 최대 80% 높은 스펙트럼 효율을 달성하며, 군집형 분포에서는 최대 50% 향상된다.
• 고도화된 간섭 관리 기법 없이도 FD 네트워크는 균일 분포에서 58%, 군집형 분포에서 18%의 SE 향상을 기록한다. 이는 상행 및 하행 모두에서 전체 대역폭을 활용할 수 있기 때문이다.
• 단일 세포 전력 제어 또는 사용자 페어링을 적용할 경우, 균일 분포에서는 SE 향상이 20% 증가하고, 군집형 분포에서는 24%~38% 향상된다. 이는 내세포 간 사용자 간 간섭이 주요 성능 저하 원인임을 확인한다.
• 사용자 페어링과 전력 제어를 병합하면 추가로 35%의 SE 향상이 발생하며, 이는 FD 이점을 극대화하기 위해 간섭 인식 설계가 필수적임을 입증한다.
• 표준 PF 스케줄링을 사용할 경우 FD 네트워크는 HD 네트워크 대비 에너지 효율(EE)을 최대 20% 향상시키며, 고도화된 간섭 관리 기법을 적용할 경우 최대 120% 향상된다.
• 균일 분포에서는 SE 향상을 위해 최소 80 dB의 SIC 능력이 필요하며, 군집형 분포에서는 더 강한 사용자 간 간섭과 세포 간 간섭을 극복하기 위해 최소 100 dB의 SIC 능력이 필요하다.