[论文解读] Full-duplex in 5G Small Cell Access: SystemDesign and Performance Aspects

Jingwen Bai, Shu‐ping Yeh+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文提出实用的系统级设计技术——高效参考信号设计、低开销信道状态信息（CSI）反馈，以及低复杂度的功率控制与调度机制，以实现5G中的全双工（FD）小细胞接入。通过联合优化与最小反馈开销，有效抑制基站间（BS-to-BS）与用户设备间（UE-to-UE）干扰，即使在真实干扰与突发性业务条件下，FD仍可实现高达1.9倍的频谱效率增益和5–8倍的时延降低。

ABSTRACT

Recent achievement in self-interference cancellation algorithms enables potential application of full-duplex (FD) in 5G radio access systems. The exponential growth of data traffic in 5G can be supported by having more spectrum and higher spectral efficiency. FD communication promises to double the spectral efficiency by enabling simultaneous uplink and downlink transmissions in the same frequency band. Yet for cellular access network with FD base stations (BS) serving multiple users (UE), additional BS-to-BS and UE-to-UE interferences due to FD operation could diminish the performance gain if not tackled properly. In this article, we address the practical system design aspects to exploit FD gain at network scale. We propose efficient reference signal design, low-overhead channel state information feedback and signalling mechanisms to enable FD operation, and develop low-complexity power control and scheduling algorithms to effectively mitigate new interference introduced by FD operation. We extensively evaluate FD network-wide performance in various deployment scenarios and traffic environment with detailed LTE PHY/MAC modelling. We demonstrate that FD can achieve not only appreciable throughput gains (1.9x), but also significant transmission latency reduction~(5-8x) compared with the half-duplex system.

研究动机与目标

• 通过解决5G小细胞网络中真实世界的干扰挑战，弥合理论FD增益与实际部署之间的差距。
• 设计低复杂度、可扩展的信令与反馈机制（如参考信号、CSI反馈），以支持基于LTE系统的FD操作。
• 开发有效的干扰抑制技术，针对全双工蜂窝系统中的新型干扰源：BS-to-BS与UE-to-UE干扰。
• 在真实部署场景与流量模型下评估FD性能，包括突发性与非对称性业务。
• 证明即使面临干扰挑战，实用FD在大规模网络中仍可实现显著的频谱效率与时延增益。

提出的方法

• 提出一种专为FD操作设计的新参考信号方案，以支持在上下行链路同时传输时的精确信道估计。
• 引入低开销CSI反馈机制，包括4比特成对宽带反馈，以在最小信令开销下实现有效的干扰协调。
• 开发低复杂度的功率控制与调度算法，通过波束成形与干扰消除技术联合抑制BS-to-BS与UE-to-UE干扰。
• 采用基于LTE的详细系统级仿真器，对物理层与MAC层进行精确建模，以评估多样化部署场景下的性能表现。
• 采用混合调度策略，结合基础调度与功率控制、波束成形技术，在性能与复杂度之间实现平衡。
• 使用FTP-3模型评估突发性业务下的性能，采用泊松文件到达模型与2:1的下行链路至上行链路业务比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在新型干扰源的情况下，5G小细胞中的实用全双工操作能否实现显著的频谱效率与时延增益？
• RQ2 如何优化低开销CSI反馈与参考信号设计，以实现实时全双工干扰抑制？
• RQ3 BS-to-BS与UE-to-UE干扰对全双工网络性能有何影响，如何有效抑制？
• RQ4 在真实、突发性业务条件下，FD性能与FDD及灵活双工相比如何？
• RQ5 在保持接近最优FD性能的前提下，反馈开销可降低到何种程度？

主要发现

• 在室内与室外集群部署中，FD在联合调度下分别实现1.9倍与1.81倍的平均频谱效率增益。
• 仅增加2%的额外反馈开销（如4比特宽带反馈），即可保留全反馈联合调度器98%的性能。
• 与半双工系统相比，FD将传输时延降低5–8倍，尤其在高负载下对边缘用户可实现高达14倍的时延增益。
• 在低至中等业务负载下，由于频谱利用率翻倍及队列延迟降低，FD在下行链路与上行链路中均实现2至8倍的吞吐量增益。
• 随着负载增加，灵活双工无法超越FDD，且始终表现逊于FD，凸显FD在动态业务环境中的优越性。
• 所提出的系统级设计方案使大规模网络中实现实用FD增益成为可能，证明干扰抑制是解锁真实5G部署中FD潜力的关键。