[论文解读] Full-Duplex Cellular Networks: It Works!

Rongpeng Li, Yan Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 10被引用 4

一句话总结

该论文表明，在小型蜂窝基站（pico base stations, BSs）中采用全双工（FD）操作可显著提升蜂窝网络的频谱效率和能量效率，即使自干扰消除（SIC）能力有限（110 dB）亦是如此。通过结合距离感知的用户配对与二进制功率控制，FD网络的频谱效率相比半双工网络最高可提升80%，证明了FD在实际蜂窝网络部署中的可行性。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) communications with bidirectional transmitting and receiving at the same time and frequency radio resource have long been deemed a promising way to boost spectrum efficiency, but hindered by the techniques for self-interference cancellation (SIC). Recent breakthroughs in analog and digital signal processing yield the feasibility of beyond $100$ dB SIC capability and make it possible for FD communications to demonstrate nearly doubled spectrum efficiency for point-to-point links. Now it is time to shift at least partial of our focus to full duplex networking, such as in cellular networks, since it is not straightforward but demanding novel and more complicated interference management techniques. Before putting FD networking into practice, we need to understand that what scenarios FD communications should be applied in under the current technology maturity, how bad the performance will be if we do nothing to deal with the newly introduced interference, and most importantly, how much improvement could be achieved after applying advanced solutions. This article will shed light on these questions.

研究动机与目标

• 评估在异构蜂窝网络中部署全双工（FD）功能于小型蜂窝基站（BSs）的可行性及其性能增益。
• 识别在实际部署场景下，全双工蜂窝网络中最具影响的干扰类型，特别是小区内用户间（inter-UE）干扰。
• 评估自干扰消除（SIC）能力对系统性能的影响，并确定实现正向增益所需的最低SIC水平。
• 设计并评估实用的干扰管理策略（如用户设备配对和二进制功率控制），以在FD网络中最大化频谱效率和能量效率。
• 分析在不同网络密度化和用户分布条件下，FD蜂窝网络中频谱效率（SE）与能量效率（EE）之间的权衡。

提出的方法

• 聚焦于在宏小区覆盖范围内部署带外频段的小型蜂窝基站的异构网络，其中宏基站和用户设备保持在半双工（HD）模式。
• 将系统频谱效率（SE）建模为单位带宽下上行链路（UL）和下行链路（DL）吞吐量之和，使用如下公式：SE = (T_tot^UL + T_tot^DL) / B_tot。
• 采用二进制功率控制方案，仅在总速率增益超过HD性能时才启用FD操作，确保不会造成性能损失。
• 引入一种基于距离感知的联合比例公平（PF）调度机制用于用户设备配对，以减轻主导的小区内用户间干扰。
• 将用户设备配对与二进制功率控制相结合，形成一种适应用户分布（均匀分布与聚集分布）的混合干扰管理策略。
• 通过系统级仿真评估在不同SIC能力（80 dB至110 dB）和网络密度（每宏基站3至15个小型蜂窝基站）下的SE与EE性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 全双工（FD）小型蜂窝基站实现相对于半双工（HD）网络净频谱效率增益所需的最低自干扰消除（SIC）能力是多少？
• RQ2 在实际部署条件下，FD蜂窝网络中哪种干扰类型——用户间干扰、基站间干扰或残余自干扰——占主导地位？
• RQ3 用户分布（均匀分布与聚集分布）如何影响FD蜂窝网络的性能增益与干扰特性？
• RQ4 用户设备配对与二进制功率控制等干扰管理技术能在多大程度上提升FD网络的频谱效率与能量效率？
• RQ5 随着小型蜂窝基站数量的增加，FD蜂窝网络中频谱效率（SE）与能量效率（EE）之间的权衡关系如何？

主要发现

• 在110 dB SIC能力下，FD小型蜂窝基站可在用户均匀分布场景下实现比HD网络高80%的频谱效率，在用户聚集分布场景下最高可提升50%。
• 即使未采用高级干扰管理，由于上行链路与下行链路均可使用全部带宽，FD网络在均匀分布和聚集分布场景下仍分别实现58%和18%的SE增益。
• 应用单小区功率控制或用户设备配对可使SE增益分别提升20%（均匀分布）和24%–38%（聚集分布），证实小区内用户间干扰是主要性能瓶颈。
• 将用户设备配对与功率控制相结合可带来额外35%的SE增益，表明干扰感知设计对于最大化FD优势至关重要。
• FD网络在使用标准PF调度时，能量效率（EE）相比HD网络最高可提升20%，在采用高级干扰管理时甚至可提升高达120%。
• 在用户均匀分布场景下，实现SE增益所需的最低SIC能力为80 dB；而在用户聚集分布场景下，需达到100 dB SIC能力，以克服更强的用户间干扰与小区间干扰。