[論文レビュー] Full-duplex in 5G Small Cell Access: SystemDesign and Performance Aspects

Jingwen Bai, Shu‐ping Yeh+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、5Gの小セル環境におけるフルデュプレックス（FD）アクセスを可能にする実用的なシステムレベル設計技術——効率的なリファレンス信号設計、低負荷のCSIフィードバック、低複雑度のパワー制御およびスケジューリング——を提案する。共同最適化と最小限のフィードバックオーバーヘッドにより、BS間およびUE間の干渉を効果的に低減することで、現実の干渉およびバーストトラフィック条件下でも、FDは半デュプレックスシステムに比べて最大1.9倍のスペクトル効率向上と5–8倍の遅延低減を達成することを示している。

ABSTRACT

Recent achievement in self-interference cancellation algorithms enables potential application of full-duplex (FD) in 5G radio access systems. The exponential growth of data traffic in 5G can be supported by having more spectrum and higher spectral efficiency. FD communication promises to double the spectral efficiency by enabling simultaneous uplink and downlink transmissions in the same frequency band. Yet for cellular access network with FD base stations (BS) serving multiple users (UE), additional BS-to-BS and UE-to-UE interferences due to FD operation could diminish the performance gain if not tackled properly. In this article, we address the practical system design aspects to exploit FD gain at network scale. We propose efficient reference signal design, low-overhead channel state information feedback and signalling mechanisms to enable FD operation, and develop low-complexity power control and scheduling algorithms to effectively mitigate new interference introduced by FD operation. We extensively evaluate FD network-wide performance in various deployment scenarios and traffic environment with detailed LTE PHY/MAC modelling. We demonstrate that FD can achieve not only appreciable throughput gains (1.9x), but also significant transmission latency reduction~(5-8x) compared with the half-duplex system.

研究の動機と目的

• 理論的FD利得と実際の展開の間のギャップを埋めるために、5G小セルネットワークにおける現実の干渉課題に取り組む。
• LTEベースのシステムにおけるFD運用を可能にする低複雑度でスケーラブルなシグナリングおよびフィードバックメカニズム（例：リファレンス信号、CSIフィードバック）を設計する。
• 新規の干渉源に焦点を当てた効果的な干渉低減技術を開発する：FDセルラーシステムにおけるBS間およびUE間干渉。
• バーストトラフィックを含む現実の展開シナリオおよびトラフィックモデル下でのFD性能を評価する。
• 実用的FDが干渉の課題が存在する中でも、ネットワーク規模で顕著なスペクトル効率および遅延の利得を達成できることを実証する。

提案手法

• 同時上行リンク/下行リンク伝送における正確なチャネル推定を可能にするために、FD運用に特化した新しいリファレンス信号設計を提案する。
• 最小限のシグナリングオーバーヘッドで効果的な干渉協調を可能にする低負荷のCSIフィードバックメカニズム（例：4ビットペアワイズワイドバンドフィードバック）を導入する。
• ビームフォーミングおよびノーリング技術を用いて、BS間およびUE間干渉を共同で低減する低複雑度のパワー制御およびスケジューリングアルゴリズムを開発する。
• PHY/MAC層の正確なモデリングを備えた詳細なLTEベースのシステムレベルシミュレータを用いて、多様な展開シナリオにおける性能を評価する。
• 性能と複雑度のバランスを取るために、基本スケジューリングとパワー制御およびビームフォーミングを組み合わせたハイブリッドスケジューリングアプローチを採用する。
• ポissonファイル到着と2:1のDL対ULトラフィック比率を有するFTP-3モデルを用いて、バーストトラフィック下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5G小セルにおける実用的フルデュプレックス運用は、新たな干渉源が存在する中でも顕著なスペクトル効率および遅延の利得を達成できるか？
• RQ2 低負荷のCSIフィードバックおよびリファレンス信号設計をどのように最適化すれば、リアルタイムでのFD干渉低減を可能にできるか？
• RQ3 BS間およびUE間干渉がFDネットワーク性能に与える影響は何か？ そして、どのようにして効果的に抑制できるか？
• RQ4 バーストトラフィック条件下で、FD性能はFDDおよびフレキシブルデュプレックスと比べてどう異なるか？
• RQ5 近似的に最適なFD性能を維持しつつ、どの程度フィードバックオーバーヘッドを削減できるか？

主な発見

• 室内および屋外クラスタ展開において、FDは共同スケジューリング下でそれぞれ1.9倍および1.81倍のスペクトル効率向上を達成し、平均で最大1.9倍の向上を示した。
• わずか2％の追加フィードバックオーバーヘッド（例：4ビットワイドバンドフィードバック）で、フルフィードバック共同スケジューラーの98％の性能が維持された。
• FDは半デュプレックスシステムに比べて送信遅延を5–8倍低減した。特に、高負荷下のセルエッジユーザーにおいては遅延の14倍の向上が見られた。
• 低～中程度のトラフィック負荷下では、FDはDLおよびUL両方で2倍から8倍のスループット向上を達成した。これは、スペクトルの二重利用およびキューイング遅延の低減によるものである。
• 負荷が増加するにつれて、フレキシブルデュプレックスはFDDを上回れず、常にFDに劣る性能を示した。これは、動的なトラフィック環境下でのFDの優位性を示している。
• 提案されたシステムレベル設計により、ネットワーク規模での実用的FD利得が実現可能であり、干渉低減が実世界の5G展開におけるFDの潜在能力を解き放つ鍵であることが実証された。