[論文レビュー] Impact of Directionality on Interference Mitigation in Full-Duplex Cellular Network

Constantinos Psomas, Mohammadali Mohammadi+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学的手法を用いて、全二重モード（FD）セルラー網における方向性アンテナが干渉をどのように軽減するかを調査している。2ノードおよび3ノードのFDアーキテクチャの両方が beamforming の恩恵を著しく受けることが示されている。ループバック干渉の抑制と同周波数干渉の低減のためのモデルを導出し、最適なネットワーク性能が、特定の密度比で両アーキテクチャを組み合わせることで達成されることを示している。これにより、成功確率とスループットが最大化される。

ABSTRACT

In this paper, we consider two fundamental full-duplex (FD) architectures, two-node and three-node, in the context of cellular networks where the terminals employ directional antennas. The simultaneous transmission and reception of data in non-orthogonal channels makes FD radio a potential solution for the currently limited spectrum. However, its implementation generates high levels of interference either in the form of loopback interference (LI) from the output to the input antenna of a transceiver or in the form of co-channel interference in large-scale multicell networks due to the large number of active links. Using a stochastic geometry model, we investigate how directional antennas can control and mitigate the co-channel interference. Furthermore, we provide a model which characterizes the way directional antennas manage the LI in order to passively suppress it. Our results show that both architectures can benefit significantly by the employment of directional antennas. Finally, we consider the case where both architectures are employed in the network and derive the optimal values for the density fraction of each architecture which maximize the success probability and the network throughput.

研究の動機と目的

• 方向性アンテナが全二重モードセルラー網における同周波数干渉およびループバック干渉に与える影響を分析すること。
• 送信ビームと受信ビームの角度差に基づく、被動的ループバック干渉抑制のモデル化。
• 方向性伝送下での2つのFDアーキテクチャ（2ノードおよび3ノード）の性能向上を評価すること。
• ネットワークの成功確率およびスループットを最大化する各アーキテクチャの最適密度比を導出すること。
• 大規模なFDマルチセル網における方向性アンテナを用いた干渉解析のための確率的幾何学的フレームワークを提供すること。

提案手法

• ポisson点過程（PPP）モデルを用いて、確率的幾何学的フレームワーク内での基地局およびユーザーの分布を表現する。
• 送信ビームと受信ビームの角度差に依存する方向性ビームパターン関数 $ f_{\theta}(\theta, \theta_{\text{max}}) $ を用いて、ループバック干渉（LI）の抑制をモデル化する。
• 上行リンク、下行リンク、およびループバック源からの干渉電力のラプラス変換を導出し、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）を計算する。
• 密度比 $ p^{\mathsf{2N}} $ および $ p^{\mathsf{3N}} $ をそれぞれ用いて、2ノードおよび3ノードのFDアーキテクチャを組み合わせたハイブリッドネットワークモデルを導入する。
• モーメント生成関数（MGF）技術と確率変数の期待値を用いて、割り出し確率および成功確率を計算する。
• 被動的抑制が効果的でない場合（すなわち $ f_{\ell} > 1 $ の場合）に対応するため、干渉抑制モデルで $ \min $ 演算子を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 方向性ビームフォーミングは、全二重モードセルラー網における同周波数干渉をどのように低減するか？
• RQ2 方向性アンテナは、FDトランシieverでループバック干渉をどの程度被動的に抑制できるか？
• RQ3 成功確率およびスループットを最大化するための2ノードおよび3ノードFDアーキテクチャの最適密度比は何か？
• RQ4 2ノードおよび3ノードのFDアーキテクチャを併用した場合、単独運用と比較して全体のネットワーク性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ビーム幅および角度差が、方向性FDシステムにおける残存ループバック干渉電力に与える影響は何か？

主な発見

• 方向性アンテナは、送信エネルギーを集中させ、干渉を受ける端末数を制限することで、同周波数干渉を顕著に低減する。
• 送信ビームと受信ビームが異なる角度を向いている場合、特に $ \theta_{\text{max}} \in [\pi/2, \pi] $ の範囲では、ループバック干渉の被動的抑制が有効である。
• 3ノードFDアーキテクチャは、より優れた角度差とビームフォーミングゲインのおかげで、2ノードアーキテクチャよりも優れた干渉抑制を達成する。
• 3ノードアーキテクチャの最適密度比は約0.6であり、これが成功確率およびネットワークスループットを最大化する。
• 方向性アンテナを最適なアーキテクチャ展開と組み合わせることで、成功確率およびスループットが最大40％向上する。
• 干渉場のための導出されたラプラス変換は、ハイブリッドFDネットワークにおけるSINRおよび割り出し確率の正確な性能評価を可能にする。