[论文解读] Half-Duplex or Full-Duplex Relaying: A Capacity Analysis under Self-Interference

Nirmal V. Shende, Özgür Gürbüz+1 more|Sabanci University|Mar 1, 2013

Full-Duplex Wireless Communications被引用 5

一句话总结

本文比较了多天线三节点网络中半双工（HD）与全双工（FD）中继的性能，采用依赖于中继发射功率的现实残留自干扰模型。结果表明，当中继功率被最优缩放且中继具备足够天线时，FD中继在高信噪比（SNR）下优于HD中继，性能增益取决于天线或射频链路节约场景。

ABSTRACT

In this paper multi-antenna half-duplex and full-duplex relaying are compared from the perspective of achievable rates. Full-duplexing operation requires additional resources at the relay such as antennas and RF chains for self-interference cancellation. Using a practical model for the residual self-interference, full-duplex achievable rates and degrees of freedom are computed for the cases for which the relay has the same number of antennas or the same number of RF chains as in the half-duplex case, and compared with their half-duplex counterparts. It is shown that power scaling at the relay is necessary to maximize the the degrees of freedom in the full-duplex mode.

研究动机与目标

• 评估全双工中继在多天线中继网络中相对于半双工中继的实际性能增益。
• 分析残留自干扰对可实现速率和自由度（DoF）的影响，采用一种现实的、与功率相关的自干扰模型。
• 在两种公平资源约束条件下比较HD与FD中继：天线节约与射频链路节约。
• 确定在功率控制与硬件限制条件下，FD中继实现比HD中继更高频谱效率的条件。
• 确立中继功率缩放在最大化全双工模式下自由度和可实现速率中的作用。

提出的方法

• 采用[2]中实验得出的实际自干扰模型，其中残留干扰功率与中继发射功率及信道估计成比例。
• 使用解码与转发协议及MIMO信号处理，在有限SNR下分析HD与FD模式下的可实现速率。
• 在高SNR下推导HD与FD模式下的自由度（DoF），并获得天线节约与射频链路节约场景下DoF的闭式表达式。
• 引入功率控制参数τ以在FD模式下优化中继发射功率，平衡干扰抑制与频谱效率。
• 通过两种场景进行对比分析：(1) HD与FD模式下中继总天线数相同；(2) 两种模式下总射频链路数相同。
• 对波束成形与功率分配进行优化，以最大化可实现速率与DoF，同时满足干扰与硬件资源约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，全双工中继在可实现速率与自由度方面优于半双工中继？
• RQ2 作为中继发射功率函数的残留自干扰如何影响HD与FD中继之间的性能权衡？
• RQ3 中继功率控制对最大化全双工模式下可实现速率与自由度有何影响？
• RQ4 天线节约与射频链路节约场景如何影响HD与FD中继之间的性能比较？
• RQ5 中继处天线或射频链路数量的临界阈值是多少，超过该值后FD中继将优于HD中继？

主要发现

• 当中继具备足够天线且发射功率被适当缩放时，全双工中继的自由度高于半双工中继，天线节约场景下DoF_FD^AC = (1/(2−λ)) × min{N, N_R/2}。
• 在射频链路节约场景下，FD中继的自由度为DoF_FD^RC = (1/(2−λ)) × min{N, ⌊2N_R/3⌋}，通常低于天线节约场景。
• FD优于HD的性能交叉点取决于自干扰抑制因子λ、源/目的端天线数N以及中继天线数N_R。
• 当中继-目的端链路SNR远高于源-中继链路时，半双工中继更优，因为在非对称链路条件下其功率利用更高效。
• 在高SNR下，当源与中继功率均被缩放时，FD中继的自由度高于HD中继，尤其当N_R ≥ 2N时，表明存在频谱效率优势。
• 在FD模式下，通过限制超过某一阈值的中继发射功率，实现最优功率控制，对抑制残留自干扰并最大化频谱效率至关重要。