[論文レビュー] Half-Duplex or Full-Duplex Relaying: A Capacity Analysis under Self-Interference

Nirmal V. Shende, Özgür Gürbüz+1 more|Sabanci University|Mar 1, 2013

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、リレートランスミットパワーに依存する現実的な残存自己干渉モデルを用いて、マルチアンテナ3ノードネットワークにおける半二重（HD）および全二重（FD）リレーリングを比較する。リレーの送信パワーを最適にスケーリングし、リレーに十分なアンテナがある場合、特に高SNRにおいてFDリレーリングがHDを上回ることを示しており、性能向上の程度はアンテナまたはRFチェーンの節約シナリオに依存する。

ABSTRACT

In this paper multi-antenna half-duplex and full-duplex relaying are compared from the perspective of achievable rates. Full-duplexing operation requires additional resources at the relay such as antennas and RF chains for self-interference cancellation. Using a practical model for the residual self-interference, full-duplex achievable rates and degrees of freedom are computed for the cases for which the relay has the same number of antennas or the same number of RF chains as in the half-duplex case, and compared with their half-duplex counterparts. It is shown that power scaling at the relay is necessary to maximize the the degrees of freedom in the full-duplex mode.

研究の動機と目的

• マルチアンテナリレーネットワークにおける全二重リレーリングの実用的性能向上を評価すること。
• 実験的に導出された、送信パワーに依存する自己干渉モデルを用いて、到達可能なレートおよび自由度（DoF）に及ぼす残存自己干渉の影響を分析すること。
• アンテナの節約およびRFチェーンの節約という2つの公平なリソース制約下で、HDおよびFDリレーリングを比較すること。
• パワー制御およびハードウェア制限を考慮した上で、FDリレーリングがHDリレーリングを上回るスペクトル効率を達成する条件を特定すること。
• 全二重モードにおける自由度（DoF）および到達可能なレートを最大化するためのリレー送信パワースケーリングの役割を確立すること。

提案手法

• 文献[2]から得られた実用的で実験的に導出された自己干渉モデルを用い、残存干渉パワーがリレー送信パワーおよびチャネル推定値に比例することを仮定する。
• デコードアンドフォワードプロトコルおよびMIMO信号処理を用いて、HDおよびFDモードにおける有限SNR下での到達可能なレートを分析する。
• HDおよびFDモードにおける高SNR下での自由度（DoF）を導出し、アンテナ節約およびRFチェーン節約シナリオにおけるDoFの閉形式表現を提示する。
• FDモードにおけるリレー送信パワー最適化のためのパワー制御パrameter τを導入し、干渉抑制とスペクトル効率の両立を図る。
• 2つのシナリオを用いた比較的分析を実施：(1) HDおよびFDモードでリレーに同じ合計アンテナ数を割り当て、(2) 両モードで同じ合計RFチェーン数を割り当てる。
• ビームフォーミングおよびパワー割り当ての最適化を適用し、干渉およびハードウェアリソース制約のもとで到達可能なレートおよびDoFを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような条件下で、全二重リレーリングが到達可能なレートおよび自由度（DoF）において半二重リレーリングを上回るのか？
• RQ2 リレー送信パワーに依存する関数としてモデル化された残存自己干渉は、HDおよびFDリレーリング間の性能トレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ3 全二重モードにおける到達可能なレートおよびDoFを最大化するためのリレー送信パワー制御の影響は何か？
• RQ4 アンテナ節約およびRFチェーン節約シナリオは、HDおよびFDリレーリングの性能比較にどのように影響を与えるか？
• RQ5 リレーでのアンテナ数またはRFチェーン数が何以上になると、FDリレーリングがHDリレーリングを上回るようになるのか？

主な発見

• リレーに十分なアンテナがあり、送信パワーを適切にスケーリングしている場合、全二重リレーリングは半二重リレーリングよりも高い自由度（DoF）を達成する。アンテナ節約シナリオでは、DoF_FD^AC = (1/(2−λ)) × min{N, N_R/2} が成り立つ。
• RFチェーン節約シナリオでは、FDリレーリングのDoFは DoF_FD^RC = (1/(2−λ)) × min{N, ⌊2N_R/3⌋} であり、アンテナ節約シナリオと比較して一般的に低くなる。
• FDがHDを上回る性能クロスオーバー点は、自己干渉抑制係数λ、送信元/受信先のアンテナ数（N）、およびリレーのアンテナ数（N_R）に依存する。
• リレー受信リンクのSNRが送信元リレーリンクのSNRに比べて著しく高い場合、非対称なリンク条件におけるパワー効率の観点から、半二重リレーリングが好ましい。
• 高SNRにおいて、送信元およびリレーの両方の送信パワーをスケーリングした場合、FDリレーリングはHDリレーリングよりも高いDoFを達成する。特に N_R ≥ 2N の場合、スペクトル効率に優位性が得られる。
• FDモードにおける最適なパワー制御（しきい値を超えるリレー送信パワーの制限）は、残存自己干渉を抑制し、スペクトル効率を最大化するために不可欠である。