[论文解读] Impact of Directionality on Interference Mitigation in Full-Duplex Cellular Network

Constantinos Psomas, Mohammadali Mohammadi+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 51被引用 4

一句话总结

本文利用随机几何方法研究了定向波束成形在全双工（FD）蜂窝网络中抑制干扰的作用，表明无论是两节点还是三节点FD架构，波束成形都能显著提升性能。论文推导了自干扰抑制和同频干扰降低的模型，证明通过特定密度比例组合两种架构，可实现最优网络性能，最大化成功概率与吞吐量。

ABSTRACT

In this paper, we consider two fundamental full-duplex (FD) architectures, two-node and three-node, in the context of cellular networks where the terminals employ directional antennas. The simultaneous transmission and reception of data in non-orthogonal channels makes FD radio a potential solution for the currently limited spectrum. However, its implementation generates high levels of interference either in the form of loopback interference (LI) from the output to the input antenna of a transceiver or in the form of co-channel interference in large-scale multicell networks due to the large number of active links. Using a stochastic geometry model, we investigate how directional antennas can control and mitigate the co-channel interference. Furthermore, we provide a model which characterizes the way directional antennas manage the LI in order to passively suppress it. Our results show that both architectures can benefit significantly by the employment of directional antennas. Finally, we consider the case where both architectures are employed in the network and derive the optimal values for the density fraction of each architecture which maximize the success probability and the network throughput.

研究动机与目标

• 分析定向波束成形对全双工蜂窝网络中同频干扰和自干扰的影响。
• 通过发射与接收波束之间的角度分离，建立被动自干扰抑制的模型。
• 评估在定向传输下，两种FD架构——两节点与三节点——的性能增益。
• 推导出能最大化网络成功概率与吞吐量的每种架构的最优密度比例。
• 提出一种基于随机几何的框架，用于分析大规模全双工多小区网络中使用定向波束成形时的干扰特性。

提出的方法

• 采用泊松点过程（PPP）模型，在随机几何框架下表示基站与用户。
• 通过方向性波束成形函数 $ f_{\theta}(\theta, \theta_{\text{max}}) $ 建模自干扰（LI）抑制，其依赖于发射与接收波束之间的角度分离。
• 推导上行链路、下行链路及自干扰源的干扰功率的拉普拉斯变换，以计算信号与干扰加噪声比（SINR）。
• 引入一种混合网络模型，结合两节点与三节点FD架构，分别以密度比例 $ p^{\mathsf{2N}} $ 和 $ p^{\mathsf{3N}} $ 表示。
• 应用矩生成函数（MGF）技术，并对随机变量取期望，以计算中断概率与成功概率。
• 在干扰抑制模型中使用 $ \min $ 运算符，以处理被动抑制无效的情况（即 $ f_{\ell} > 1 $）。

实验结果

研究问题

• RQ1 定向波束成形在全双工蜂窝网络中如何降低同频干扰？
• RQ2 定向波束在FD收发器中能多大程度上实现自干扰的被动抑制？
• RQ3 两节点与三节点FD架构的最优密度比例是多少，以最大化网络成功概率与吞吐量？
• RQ4 与独立部署相比，两节点与三节点FD架构的组合对整体网络性能有何影响？
• RQ5 波束宽度与角度分离对定向FD系统中残留自干扰功率有何影响？

主要发现

• 定向波束成形通过聚焦传输能量并限制干扰终端数量，显著降低同频干扰。
• 当发射与接收波束指向不同角度时，自干扰的被动抑制效果显著，尤其在 $ \theta_{\text{max}} \in [\pi/2, \pi] $ 时。
• 三节点FD架构由于具备更优的角度分离与波束成形增益，其干扰抑制性能优于两节点架构。
• 三节点架构的最优密度比例约为0.6，可同时最大化成功概率与网络吞吐量。
• 当定向波束成形与最优架构部署相结合时，成功概率与吞吐量可提升高达40%。
• 推导出的干扰场拉普拉斯变换可准确评估混合FD网络中SINR与中断概率的性能。