[논문 리뷰] Throughput Analysis for Full-Duplex Wireless Networks with Imperfect Self-interference Cancellation

Zhen Tong, Martin Haenggi|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 25.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 20인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 스토하스틱 기하학을 사용하여 불완전한 자기간섭 제거를 가진 풀디플렉스(FD) 무선 네트워크의 스루풋 성능을 분석한다. FD가 HD보다 우월하려면 자기간섭이 임계값 이하로 억제되어야 하며, ALOHA 프로토콜의 경우 최대 스루풋 이득은 $\frac{2\alpha}{\alpha+2}$로 제한된다. 또한 FD가 유익해지기 위해 필요한 간섭 제거 수준을 정량화한다.

ABSTRACT

This paper investigates the throughput for wireless network with full-duplex radios using stochastic geometry. Full-duplex (FD) radios can exchange data simultaneously with each other. On the other hand, the downside of FD transmission is that it will inevitably cause extra interference to the network compared to half-duplex (HD) transmission. Moreover, the residual self-interference has negative effects on the network throughput. In this paper, we focus on a wireless network of nodes with both HD and FD capabilities and derive and optimize the throughput in such a network. Our analytical result shows that if the network is adapting an ALOHA protocol, the maximal throughput is achieved by scheduling all concurrently transmitting nodes to work in either FD mode or HD mode depending on one simple condition. Moreover, the effects of imperfect self-interference cancellation on the signal-to-interference ratio (SIR) loss and throughput are also analyzed based on our mathematical model. We rigorously quantify the impact of imperfect self-interference cancellation on the throughput gain, transmission range, and other metrics, and we establish the minimum amount of self-interference suppression needed for FD to be beneficial.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 자기간섭 제거 조건 하에서 풀디플렉스(FD) 무선 네트워크의 스루풋 이득을 하프디플렉스(HD)와 비교하여 분석하는 것.
• 혼합 HD/FD 네트워크에서 FD가 HD보다 더 높은 네트워크 스루풋을 제공하는 조건을 규명하는 것.
• FD가 HD보다 유익한 데 필요한 자기간섭 제거 수준의 최소량을 정량화하는 것.
• 잔류 자기간섭으로 인한 신호대간섭비(SIR) 손실을 모델링하고 경계하는 것.
• FD와 HD가 동일한 스루풋을 달성하는 균형점(브레이크이븐 포인트)이 간섭 제거 수준과 링크 거리에 따라 어떻게 달라지는지 분석하는 것.

제안 방법

• 노드가 HD 또는 FD 모드로 작동할 수 있는 포아송 점 프로세스(PPP)로 무선 네트워크를 모델링한다.
• 스토하스틱 기하학을 사용하여 불완전한 자기간섭 제거 조건 하에서 HD 및 FD 링크의 신호대간섭비(SIR) 분포를 유도한다.
• 잔류 자기간섭으로 인한 SIR 손실을 정밀하게 경계하기 위해 SIR 분포의 수평 이동 개념을 적용한다.
• SIR 임계값, 경로 손실 지수 $\alpha$, 자기간섭 제거 수준 $\beta$에 따라 FD의 스루풋 이득(TG)을 함수로 유도한다.
• FD 및 HD 모드에서의 평균 전송 속도 비율을 사용하여 스루풋 이득에 대한 분석적 경계를 수립한다.
• ALOHA MAC 프로토콜을 고려하고 최적의 스케줄링 정책을 유도한다: SIR 임계값과 간섭 억제 조건을 포함한 단일 조건에 따라 모든 노드가 FD 또는 HD 모드로 작동해야 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀디플렉스 전송이 하프디플렉스 전송보다 네트워크 스루풋 측면에서 언제 우월한가?
• RQ2 ALOHA 액세스를 가진 무작위 무선 네트워크에서 FD가 HD를 능가할 수 있는 최대 스루풋 이득은 얼마인가?
• RQ3 불완전한 자기간섭 제거가 FD 네트워크의 신호대간섭비(SIR)와 스루풋에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FD가 HD보다 순수 스루풋 이득을 제공하기 위해 필요한 최소 자기간섭 제거 수준은 얼마인가?
• RQ5 FD와 HD가 동일한 스루풋을 달성하는 균형점—브레이크이븐 포인트—는 링크 거리와 제거 성능에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• FD가 HD를 능가하는 최대 스루풋 이득은 $\frac{2\alpha}{\alpha+2}$로 제한되며, 실용적인 경로 손실 지수 범위 $\alpha \in (2,4]$에서 0에서 33% 사이로 변동한다.
• 완전한 자기간섭 제거 조건에서 스루풋 이득은 SIR 임계값이 증가함에 따라 증가하며, SIR 임계값이 매우 클 경우 $\frac{2}{1+\delta}$에 수렴한다.
• 불완전한 자기간섭 제거 조건에서는 스루풋 이득이 1 이하로 떨어질 수 있으며, 이는 제거 수준이 부족할 경우 HD가 FD를 능가함을 의미한다.
• dB 단위로 표현한 자기간섭 제거 수준은 링크 거리에 대해 로그적으로 비례하므로, 더 긴 링크에서는 FD가 유익해지기 위해 훨씬 더 높은 제거 수준이 필요하다.
• 잔류 자기간섭으로 인한 SIR 손실은 SIR 분포의 수평 이동을 통해 정밀하게 경계되며, 성능 저하의 정확한 측도를 제공한다.
• FD와 HD가 동일한 스루풋을 달성하는 균형점은 자기간섭 제거 수준과 링크 거리에 따라 달라지며, 더 긴 거리에서는 FD가 유리해지기 위해 더 우수한 제거 성능이 요구된다.