[论文解读] Can Uplink Transmissions Survive in Full-duplex Cellular Environments?

Hesham ElSawy, Ahmad AlAmmouri+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出 α-duplex 方案，通过在上行链路与下行链路信道之间实现部分频谱重叠，并结合脉冲整形与匹配滤波，以平衡全双工（FD）蜂窝网络中的上行与下行速率。该方案在上行与下行链路中均实现了30%的速率提升，克服了传统全双工操作中因跨模式干扰导致的上行性能严重退化（超过1000倍）。

ABSTRACT

In-band full-duplex (FD) communication is considered a potential candidate to be adopted by the fifth generation (5G) cellular networks. FD communication renders the entire spectrum simultaneously accessible by uplink and downlink, and hence, is optimistically promoted to double the transmission rate. While this is true for a single communication link, cross-mode interference (i.e., interference between uplink and downlink) may diminish the full-duplexing gain. This paper studies FD operation in large-scale cellular networks with real base stations (BSs) locations and 3GPP propagation environment. The results show that the uplink is the bottleneck for FD operation due to the overwhelming cross-mode interference from BSs. Operating uplink and downlink on a common set of channels in an FD fashion improves the downlink rate but significantly degrades (over 1000-fold) the uplink rate. Therefore, we propose the $α$-duplex scheme to balance the tradeoff between the uplink and downlink rates via adjustable partial overlap between uplink and downlink channels. The $α$-duplex scheme can provide a simultaneous $30\%$ improvement in each of the uplink and downlink rates. To this end, we discuss the backward compatibility of the $α$-duplex scheme with half-duplex user-terminals. Finally, we point out future research directions for FD enabled cellular networks.

研究动机与目标

• 研究在实际基站（BS）位置和3GPP传播条件下的真实全双工（FD）蜂窝网络中上行链路传输的可行性。
• 识别并量化全双工操作中因跨模式干扰导致的上行速率严重退化。
• 提出一种实用方案，以在保持与半双工用户设备后向兼容性的前提下，平衡上行与下行速率。
• 评估所提出的 α-duplex 方案在真实网络部署中的频谱效率与干扰抑制性能。

提出的方法

• 本研究采用某英国主要运营商在伦敦市中心区域的真实网络拓扑数据，包含实际基站位置与3GPP传播模型。
• 提出 α-duplex 方案作为灵活的双工策略，允许上行与下行频段之间可调的部分重叠。
• 应用脉冲整形与匹配滤波以抑制跨模式干扰，提升信号与干扰加噪声比（SINR）。
• 通过系统级仿真评估 α-duplex 的性能，并与传统全双工及半双工模式进行对比。
• 该方案设计为与半双工用户终端后向兼容，可在无需全双工用户设备的前提下实现共存。
• 讨论脉冲波形优化作为未来方向，以进一步降低干扰泄漏并最大化频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有实际基站位置与传播条件的真实蜂窝网络中，全双工操作如何影响上行与下行链路的频谱效率？
• RQ2 下行链路传输引起的跨模式干扰在多大程度上导致全双工蜂窝网络中上行性能的退化？
• RQ3 部分频谱重叠方案（α-duplex）是否能有效平衡上行与下行速率，同时保持高频频谱效率？
• RQ4 与传统全双工和半双工模式相比，α-duplex 在上行与下行速率提升方面带来了多大的性能增益？
• RQ5 α-duplex 方案是否与现有半双工用户设备兼容，从而实现无需全双工终端的实用部署？

主要发现

• 传统全双工操作因下行至上行的跨模式干扰过强，导致上行频谱效率退化超过1000倍。
• 与传统全双工和半双工模式相比，α-duplex 方案在上行与下行链路中均实现了30%的同时提升。
• 由于活跃下行链路传输引起的严重跨模式干扰，上行链路被识别为全双工蜂窝网络中的主要瓶颈。
• 真实仿真环境的结果证实了先前随机几何模型发现的普遍性，尽管在绝对数值上上行退化更为严重。
• α-duplex 方案与半双工用户终端后向兼容，可在无需全双工用户设备的前提下实现部署。
• 通过优化脉冲整形与分布式双工参数，未来有望进一步增强干扰抑制能力与频谱效率。