[논문 리뷰] Full Duplex Operation for Small Cells

Sanjay Goyal, Pei Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 30.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 29인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 실용적인 95 dB 자기간섭 제거를 통해, 간섭이 관리 가능한 경우에만 풀디플렉스(FD) 기지국(BS)이 반디플렉스(UE) 사용자 equipment(UE)를 동시에 서비스하는 하이브리드 풀디플렉스(FD) 스케줄링 및 전력 할당 방식을 제안한다. 실내 환경에서는 다운링크 및 업링크에서 각각 최대 94% 및 93%의 스펙트럼 효율성 향상을 달성하였고, 실외 환경에서는 각각 53% 및 60%의 향상을 기록하였다.

ABSTRACT

Full duplex (FD) communications has the potential to double the capacity of a half duplex (HD) system at the link level. However, FD operation increases the aggregate interference on each communication link, which limits the capacity improvement. In this paper, we investigate how much of the potential doubling can be practically achieved in the resource-managed, small multi-cellular system, similar to the TDD variant of LTE, both in indoor and outdoor environments, assuming FD base stations (BSs) and HD user equipment (UEs). We focus on low-powered small cellular systems, because they are more suitable for FD operation given practical self-interference cancellation limits. A joint UE selection and power allocation method for a multi-cell scenario is presented, where a hybrid scheduling policy assigns FD timeslots when it provides a throughput advantage by pairing UEs with appropriate power levels to mitigate the mutual interference, but otherwise defaults to HD operation. Due to the complexity of finding the globally optimum solution of the proposed algorithm, a sub-optimal method based on a heuristic greedy algorithm for UE selection, and a novel solution using geometric programming for power allocation, is proposed. With practical self-interference cancellation, antennas and circuits, it is shown that the proposed hybrid FD system achieves as much as 94% throughput improvement in the downlink, and 92% in the uplink, compared to a HD system in an indoor multi-cell scenario and 54% in downlink and 61% in uplink in an outdoor multi-cell scenario. Further, we also compare the energy efficiency of FD operation.

연구 동기 및 목표

• 기존 반디플렉스(UE)를 보유한 소셀 네트워크에서 풀디플렉스(FD) 기지국의 실용적 용량 향상을 평가하기 위해.
• 풀디플렉스 다셀 시스템에서 증가하는 세포내 및 세포간 간섭 문제를 해결하기 위해.
• throughput 향상에 따라 FD 및 HD 모드를 동적으로 전환하는 통합 UE 선택 및 전력 할당 알고리즘을 설계하기 위해.
• FD 운영에서의 에너지 효율성 트레이드오프를 평가하고, FD가 효율성을 향상시키거나 악화시키는 조건을 규명하기 위해.
• 중앙집중식 및 향후 분산형 네트워크 아키텍처에서의 지능형 스케줄링의 실현 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• FD 타임슬롯 할당은 UE 쌍이 스루풋 이득을 제공할 경우에만 수행하고, 그 외에는 기본적으로 HD 운영으로 전환하는 하이브리드 스케줄링 정책을 제안한다.
• 다중셀 환경에서의 계산 복잡도를 줄이기 위해 UE 선택을 위한 휴리스틱 그레디 알고리즘을 적용한다.
• 상호 간섭을 완화하기 위해 최적의 전력 할당을 위해 기하학적 프로그래밍을 사용한다.
• 실내 및 실외 다셀 환경에서 자기간섭, 세포간 간섭, 크로스링크 간섭을 모델링한다.
• 실제 전파 모델과 자기간섭 제거 수준(75–105 dB)을 반영한 TDD 기반의 LTE 유사 소셀 시스템을 시뮬레이션한다.
• 자기간섭 제거 수준이 다양할 때 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성, 간섭 관리 등 다양한 지표를 기반으로 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 자기간섭 제거 수준을 가진 실세계 소셀 배포 환경에서 풀디플렉스 운영이 스펙트럼 효율성에 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 다셀 환경에서 세포간 간섭은 풀디플렉스 기지국의 성능에 반디플렉스 시스템과 비교해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 풀디플렉스 소셀 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 어떤 상황에서 FD 운영이 HD보다 더 높은 스루풋을 제공하는가, 그리고 간섭으로 인해 여전히 HD가 선호되는 경우는 언제인가?
• RQ5 자기간섭 제거 수준의 선택이 전체 시스템 성능과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 95 dB 자기간섭 제거 수준을 가질 경우, 실내 다셀 환경에서 다운링크에서는 94%의 스펙트럼 효율성 향상, 업링크에서는 93%의 향상을 기록하였다.
• 실외 다셀 환경에서 동일한 95 dB 제거 수준에서 다운링크는 53% 향상, 업링크는 60% 향상되었다.
• 에너지 효율성은 일반적으로 간섭 증가로 인해 FD 모드에서 낮지만, FD@75 다운링크 케이스에서는 UE 간 링크로 인한 세포간 간섭 감소로 인해 HD를 초월하는 에너지 효율성을 기록하였다.
• 자기간섭 제거 수준이 95 dB를 초과할수록 동시에 전송되는 수가 증가하고 간섭이 증가함에 따라 에너지 효율성이 감소하였다.
• 자기간섭이 성능 저하를 초래할 경우 하이브리드 스케줄링 정책이 FD 운영을 효과적으로 피함으로써 고간섭 조건에서도 안정성을 확보하였다.
• 결과적으로, 특히 고밀도 실내 환경에서 소셀 네트워크의 풀디플렉스 잠재력을 최대로 발휘하기 위해 지능형 스케줄링 및 전력 제어가 필수적임을 입증하였다.