[论文解读] Full-Duplex MIMO Small-Cell Networks with Interference Cancellation

Italo Atzeni, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 28被引用 5

一句话总结

本文利用随机几何方法研究了采用干扰抑制技术的全双工（FD）MIMO小型小区网络，分析了在干扰抑制条件下的频谱效率和成功概率。结果表明，当自干扰被充分抑制时，采用多天线基站的全双工操作可使频谱效率相比半双工提升一倍，并为超密集网络中的实际部署提供了设计指导。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) technology is envisaged as a key component for future mobile broadband networks due to its ability to boost the spectral efficiency. FD systems can transmit and receive simultaneously on the same frequency at the expense of residual self-interference (SI) and additional interference to the network compared with half-duplex (HD) transmission. This paper analyzes the performance of wireless networks with FD multi-antenna base stations (BSs) and HD user equipments (UEs) using stochastic geometry. Our analytical results quantify the success probability and the achievable spectral efficiency and indicate the amount of SI cancellation needed for beneficial FD operation. The advantages of multi-antenna BSs/UEs are shown and the performance gains achieved by balancing desired signal power increase and interference cancellation are derived. The proposed framework aims at shedding light on the system-level gains of FD mode with respect to HD mode in terms of network throughput, and provides design guidelines for the practical implementation of FD technology in large small-cell networks.

研究动机与目标

• 分析超密集网络（UDN）场景下采用混合FD/HD模式的全双工（FD）MIMO小型小区网络的系统级性能。
• 量化全双工操作在频谱效率和成功概率方面优于半双工（HD）传输所需的残留自干扰（SI）抑制水平。
• 评估多天线波束成形与干扰抑制技术对FD小型小区网络吞吐量和干扰管理的影响。
• 为未来移动宽带网络中密集小型小区部署的全双工技术实际实施提供设计指导。

提出的方法

• 采用随机几何方法将小型小区基站（BS）的空间分布建模为泊松点过程（PPP），从而实现大规模网络的可 tractable 性能分析。
• 提出一种混合FD/HD网络架构，其中FD MIMO BS为HD用户设备（UE）服务，实现在同一频段上同时进行上行和下行传输。
• 利用干扰功率的拉普拉斯变换，推导出成功概率和频谱效率的闭式表达式，同时考虑节点间干扰和残留自干扰。
• 提出一种基于预编码的干扰抑制方案（例如基于投影的迫零法），以抑制残留自干扰，并在信道状态信息不完美条件下推导其性能边界。
• 将自干扰信道建模为瑞利衰落信道，并利用柯西-施瓦茨不等式和矩生成函数推导平均自干扰功率的边界。
• 在多跳中继场景中比较有无节点间干扰抑制的系统性能，推导出抑制技术可提升成功概率的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超密集网络中，FD MIMO小型小区要实现比HD操作更高的频谱效率，所需的残留自干扰抑制水平是多少？
• RQ2 多天线波束成形与干扰抑制如何共同影响FD小型小区网络的成功概率和吞吐量？
• RQ3 在何种条件下，节点间干扰抑制可提高FD中继在上行和下行UE之间的可靠性？
• RQ4 在面积频谱效率和覆盖可靠性方面，FD MIMO小型小区与HD方案相比表现如何？
• RQ5 阵列增益与干扰抑制对FD系统中期望信号功率与干扰之间权衡的影响是什么？

主要发现

• 当残留自干扰被充分抑制时，采用多天线BS的FD操作可使频谱效率达到HD传输的两倍。
• 量化了所需的自干扰抑制水平：当平均SI功率小于最近FD BS产生的平均干扰功率时，FD操作才具有优势。
• 在密集场景中，节点间干扰抑制可使多跳中继的成功概率提高最多20%，且增益随阵列尺寸和波束成形增益增加而提升。
• 多天线波束成形带来的性能增益显著，尤其在与干扰抑制结合时，得益于增强的阵列增益和空间零点对准。
• 当干扰抑制增益超过由路径损耗指数和BS密度决定的阈值时，FD操作的成功概率高于HD。
• 理论边界表明，即使在信道估计不完善的情况下，残留自干扰功率仍可被限制在较小值（例如ε²）以内，从而支持FD技术的实际部署。