[论文解读] Full Duplex Operation for Small Cells

Sanjay Goyal, Pei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 29被引用 23

一句话总结

本文提出了一种用于小细胞网络的混合全双工（FD）调度与功率分配方案，其中全双工基站（BS）仅在干扰可管理时同时为半双工用户设备（UE）提供服务。在实际的95 dB自干扰消除条件下，系统在室内场景下的下行链路和上行链路分别实现了高达94%和93%的频谱效率增益，在室外场景下分别实现了53%和60%的增益。

ABSTRACT

Full duplex (FD) communications has the potential to double the capacity of a half duplex (HD) system at the link level. However, FD operation increases the aggregate interference on each communication link, which limits the capacity improvement. In this paper, we investigate how much of the potential doubling can be practically achieved in the resource-managed, small multi-cellular system, similar to the TDD variant of LTE, both in indoor and outdoor environments, assuming FD base stations (BSs) and HD user equipment (UEs). We focus on low-powered small cellular systems, because they are more suitable for FD operation given practical self-interference cancellation limits. A joint UE selection and power allocation method for a multi-cell scenario is presented, where a hybrid scheduling policy assigns FD timeslots when it provides a throughput advantage by pairing UEs with appropriate power levels to mitigate the mutual interference, but otherwise defaults to HD operation. Due to the complexity of finding the globally optimum solution of the proposed algorithm, a sub-optimal method based on a heuristic greedy algorithm for UE selection, and a novel solution using geometric programming for power allocation, is proposed. With practical self-interference cancellation, antennas and circuits, it is shown that the proposed hybrid FD system achieves as much as 94% throughput improvement in the downlink, and 92% in the uplink, compared to a HD system in an indoor multi-cell scenario and 54% in downlink and 61% in uplink in an outdoor multi-cell scenario. Further, we also compare the energy efficiency of FD operation.

研究动机与目标

• 评估在存在传统半双工UE的小细胞网络中，全双工（FD）基站的实际容量增益。
• 解决全双工多小区系统中增加的小区内和小区间干扰问题。
• 设计一种联合UE选择与功率分配算法，根据吞吐量增益动态在FD和HD模式之间切换。
• 评估FD操作中的能量效率权衡，并确定FD提升或降低效率的条件。
• 探索在集中式和未来分布式网络架构中智能调度的可行性。

提出的方法

• 提出一种混合调度策略，仅在配对UE能提供吞吐量优势时才分配FD时隙，否则默认采用HD操作。
• 在多小区场景中采用启发式贪心算法进行UE选择，以降低计算复杂度。
• 使用几何规划进行最优功率分配，以减轻上行链路和下行链路UE之间的相互干扰。
• 在室内和室外多小区环境中，对自干扰、小区间干扰和交叉链路干扰进行建模。
• 基于TDD-LTE类似的小细胞系统进行仿真，采用真实的传播模型和自干扰消除水平（75–105 dB）。
• 在多个指标下评估性能：频谱效率、能量效率以及在不同自干扰消除水平下的干扰管理能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有实际自干扰消除能力的真实小细胞部署中，全双工操作在多大程度上能提升频谱效率？
• RQ2 与半双工系统相比，小区间干扰在多小区环境中对全双工基站性能有何影响？
• RQ3 全双工小细胞网络中，频谱效率与能量效率之间的最优权衡是什么？
• RQ4 在何种情况下FD操作比HD提供更高的吞吐量，而在何种情况下由于干扰的存在HD仍更优？
• RQ5 自干扰消除水平的选择如何影响整体系统性能和能量效率？

主要发现

• 在95 dB自干扰消除条件下，FD系统在室内多小区场景中下行链路频谱效率增益达94%，上行链路达93%。
• 在室外多小区环境中，相同95 dB消除水平下，下行链路频谱效率提升53%，上行链路提升60%。
• 由于UE间链路减少了小区间干扰，FD@75下行链路的能效反而高于HD，尽管FD模式通常因干扰增加而能效更低。
• 当自干扰消除水平超过95 dB时，能效下降，原因是同时传输的用户数增加，导致干扰加剧。
• 所提出的混合调度策略在干扰可能降低性能时有效避免FD操作，确保在高干扰环境下具有鲁棒性。
• 结果表明，智能调度与功率控制对于释放小细胞网络中全双工的全部潜力至关重要，尤其是在密集的室内环境中。