[論文レビュー] Full-Duplex MIMO Small-Cell Networks with Interference Cancellation

Italo Atzeni, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、干渉キャンセレーションを用いた全二重モード（FD）MIMOスモールセルネットワークのスペクトル効率および成功確率を、確率的幾何学的手法を用いて分析する。FD動作に多素子アンテナを備えた基地局（BS）を用いることで、自己干渉が十分にキャンセレーションされた場合、半二重モード（HD）と比較してスペクトル効率を2倍にできることが示され、超密なネットワークにおける実用的展開のための設計指針が提示される。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) technology is envisaged as a key component for future mobile broadband networks due to its ability to boost the spectral efficiency. FD systems can transmit and receive simultaneously on the same frequency at the expense of residual self-interference (SI) and additional interference to the network compared with half-duplex (HD) transmission. This paper analyzes the performance of wireless networks with FD multi-antenna base stations (BSs) and HD user equipments (UEs) using stochastic geometry. Our analytical results quantify the success probability and the achievable spectral efficiency and indicate the amount of SI cancellation needed for beneficial FD operation. The advantages of multi-antenna BSs/UEs are shown and the performance gains achieved by balancing desired signal power increase and interference cancellation are derived. The proposed framework aims at shedding light on the system-level gains of FD mode with respect to HD mode in terms of network throughput, and provides design guidelines for the practical implementation of FD technology in large small-cell networks.

研究の動機と目的

• 超密ネットワーク（UDN）環境におけるハイブリッドFD/HD運用を採用した全二重モード（FD）MIMOスモールセルネットワークのシステムレベル性能を分析すること。
• スペクトル効率および成功確率の観点から、FD動作がHD伝送を上回るために必要な残存自己干渉（SI）キャンセレーションレベルを定量化すること。
• 多素子アンテナビームフォーミングおよび干渉キャンセレーション技術が、FDスモールセルにおけるネットワークスループットおよび干渉管理に与える影響を評価すること。
• 将来のモバイルブロードバンドネットワークにおける高密度スモールセル展開を想定した、FD技術の実用的実装のための設計指針を提供すること。

提案手法

• スモールセル基地局（BS）の空間的分布をポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、大規模ネットワークの解析が可能となる確率的幾何学的手法を用いる。
• FD MIMO BSがHDユーザ機器（UE）をサービスするハイブリッドFD/HDネットワークアーキテクチャを提案し、同じ周波数帯で上行リンクと下行リンクの同時伝送を可能にする。
• 干渉電力のラプラス変換を用いて、成功確率およびスペクトル効率の閉形式表現を導出する。ここに、ノード間干渉および残存自己干渉を含める。
• 射波成形に基づく干渉キャンセレーション方式（例：射影型ゼロフォーリング）を導入し、不完全なチャネル状態情報下での性能バウンドを導出する。
• 自己干渉チャネルをレイリー fading としてモデル化し、コーシー＝シュバルツの不等式およびモーメント生成関数を用いて平均自己干渉電力のバウンドを導出する。
• 中継ホップ数が複数の状況におけるノード間干渉キャンセレーションの有無を比較し、キャンセレーションが成功確率を向上させる条件を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超密ネットワークにおいて、FD MIMOスモールセルがHD動作を上回るスペクトル効率を達成するためには、どの程度の残存自己干渉キャンセレーションが必要か？
• RQ2 多素子アンテナビームフォーミングと干渉キャンセレーションが、FDスモールセルネットワークにおける成功確率およびスループットにどのように統合的に影響を与えるか？
• RQ3 ノード間干渉キャンセレーションは、上行リンクと下行リンクUE間の中継FDリレーリンクの信頼性を向上させるどのような条件下で有効か？
• RQ4 面積スペクトル効率およびカバレッジ信頼性の観点から、FD MIMOスモールセルの性能はHD対応物と比べてどの程度向上するか？
• RQ5 アレイゲインおよび干渉抑制が、FDシステムにおける所望信号電力と干渉のトレードオフに与える影響は何か？

主な発見

• 残存自己干渉が十分に抑制された場合、多素子アンテナを備えたFD動作のBSを用いることで、HD伝送と比較してスペクトル効率を最大2倍にできる。
• 自己干渉キャンセレーションレベルが定量的に特定された：FDが有益であるためには、平均SI電力が最近隣接するFD BS由来の平均干渉電力未満に抑える必要がある。
• ノード間干渉キャンセレーションにより、密な状況下のマルチホップリレーリングにおいて成功確率が最大20%向上し、アレイサイズおよびビームフォーミングゲインが増加するほどその利得が大きくなる。
• 多素子アンテナビームフォーミングによる性能向上は顕著であり、特に干渉キャンセレーションと組み合わせることで、アレイゲインおよび空間的ノード効果が強化され、顕著な向上が得られる。
• 干渉キャンセレーションゲインがパスロス指数およびBS密度に依存する閾値を超える場合、FD動作における成功確率はHDを上回る。
• 理論的バウンドにより、不完全なチャネル推定下でも、残存自己干渉電力が小さな値（例：ε²）で抑えられることを示し、実用的なFD展開が可能であることが示された。