[논문 리뷰] Performance of Network-Assisted Full-Duplex for Cell-Free Massive MIMO

Dongming Wang, Menghan Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 27.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 분산된 원격 안테나 유닛(RAU)의 신호를 공동 처리함으로써 유연하고 수요에 따라 조절 가능한 이중성 전송을 가능하게 하는 셀리스 매크로 MIMO에서 네트워크 지원형 풀디플렉스(NAFD)를 제안한다. 대규모 차원의 난수 행렬 이론을 사용하여, 불완전한 CSI와 공간 상관성 하에서 상향링크 합산율(MMSE 수신기)과 하향링크 합산율(ZF/RZF beamforming)에 대한 결정론적 근사치를 유도한다. 그 결과, NAFD가 반디플렉스 RAU를 사용할 경우 인바운드 풀디플렉스보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, 유전 알고리즘 기반 사용자 스케줄링이 하향링크 속도를 추가로 향상시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Network assisted full-duplex (NAFD) is a spatial-division duplex technique for future wireless networks with cell-free massive multiple-input multiple-output (CF massive MIMO) network, where a large number of remote antenna units (RAUs), either using half-duplex or full-duplex, jointly support truly flexible duplex including time-division duplex, frequency-division duplex and full duplex on demand of uplink and downlink traffic by using network MIMO methods. With NAFD, bi-directional data rates of the wireless network could be increased and end-to-end delay could be reduced. In this paper, the spectral efficiency of NAFD communications in CF massive MIMO network with imperfect channel state information (CSI) is investigated under spatial correlated channels. Based on large dimensional random matrix theory, the deterministic equivalents for the uplink sum-rate with minimum-mean-square-error (MMSE) receiver as well as the downlink sum-rate with zero-forcing (ZF) and regularized zero-forcing (RZF) beamforming are derived. Numerical results show that under various environmental settings, the deterministic equivalents are accurate in both a large-scale system and system with a finite number of antennas. It is also shown that with the downlink-to-uplink interference cancellation, the uplink spectral efficiency of CF massive MIMO with NAFD could be improved. The spectral efficiencies of NAFD with different duplex configurations such as in-band full-duplex, and half-duplex are compared. With the same total numbers of transmit and receive antennas, NAFD with half-duplex RAUs offers a higher spectral efficiency. To alleviate the uplink-to-downlink interference, a novel genetic algorithm based user scheduling strategy (GAS) is proposed. Simulation results show that the achievable downlink sum-rate by using the GAS is greatly improved compared to that by using the random user scheduling.

연구 동기 및 목표

• 미래의 5G/6G 네트워크에서 영향을 미치는 상향링크-하향링크 간섭(CLI) 문제를 해결하기 위해 새로운 네트워크 지원형 풀디플렉스(NAFD) 아키텍처를 사용하는 유연한 이중성 전송을 위한 것이다.
• 불완전한 채널 상태 정보(CSI)와 공간 상관성 하에서 NAFD를 적용한 셀리스 매크로 MIMO의 스펙트럼 효율성을 분석하기 위한 것이다.
• 대규모 차원의 난수 행렬 이론을 사용하여 상향링크(MMSE)와 하향링크(ZF, RZF) 합산율에 대한 결정론적 근사치를 유도하기 위한 것이다.
• 인바운드 풀디플렉스, 반디플렉스, NAFD를 포함한 다양한 이중성 구성 방식 간의 스펙트럼 효율을 비교하고 간섭 제거의 영향을 평가하기 위한 것이다.
• CLI를 완화하여 하향링크 합산율을 향상시키는 데 기여하는 유전 알고리즘 기반 사용자 스케줄링(GAS) 전략을 설계하기 위한 것이다.

제안 방법

• 셀리스 매크로 MIMO에서 중앙 처리기(CP)가 RAU를 조율하여 TDD, FDD, 풀디플렉스를 수요에 따라 유연하게 지원하는 네트워크 지원형 풀디플렉스(NAFD) 아키텍처를 제안한다.
• 최소 제곱 오차(MMSE) 복합과 제로포싱(ZF), 정규화된 제로포싱(RZF) beamforming을 사용하여 상향링크 합산율과 하향링크 합산율에 대한 결정론적 근사치를 유도한다.
• 대규모 차원의 난수 행렬 이론을 적용하여 불완전한 CSI와 공간 상관성 하에서 스펙트럼 효율에 대한 점근적 표현을 유도한다.
• 상향링크-하향링크 간섭을 최소화하고 하향링크 합산율을 향상시키기 위해 새로운 유전 알고리즘 기반 사용자 스케줄링(GAS) 전략을 도입한다.
• 스토하스틱 기하학과 행렬 트레이스 근사 기법을 사용하여 간섭을 모델링하고 SINR 및 스펙트럼 효율에 대한 해석 가능한 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NAFD는 불완전한 CSI와 공간 상관성 하에서 셀리스 매크로 MIMO에서 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 스펙트럼 효율 측면에서 전통적인 반디플렉스 및 인바운드 풀디플렉스 구성 방식에 비해 NAFD는 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 NAFD 기반 셀리스 매크로 MIMO 시스템에서 하향링크 간섭 제거는 상향링크 스펙트럼 효율을 얼마나 효과적으로 향상시키는가?
• RQ4 유전 알고리즘 기반 사용자 스케줄링 전략은 무작위 스케줄링에 비해 하향링크 합산율을 상당히 향상시키는가?
• RQ5 대규모 차원의 난수 행렬 이론을 통해 유도된 결정론적 근사치는 대규모 및 유한한 안테나 수를 가진 시스템 모두에서 얼마나 정확한가?

주요 결과

• 유한한 안테나 수를 가진 시스템에서도 상향링크(MMSE)와 하향링크(ZF/RZF) 합산율에 대한 결정론적 근사치가 매우 정확하며, 이는 점근적 분석의 타당성을 입증한다.
• 동일한 총 전송 및 수신 안테나 수를 가진 조건에서, 반디플렉스 RAU를 사용하는 NAFD는 인바운드 풀디플렉스보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 하향링크-상향링크 간섭 제거 기법은 NAFD 기반 셀리스 매크로 MIMO 시스템에서 상향링크 스펙트럼 효율을 상당히 향상시킨다.
• 제안된 유전 알고리즘 기반 사용자 스케줄링(GAS) 전략은 무작위 사용자 스케줄링에 비해 하향링크 합산율을 상당히 향상시킨다.
• 유도된 결정론적 근사치는 공간 상관성 채널과 불완전한 CSI를 포함한 다양한 환경 설정에서 강인함을 입증한다.