[论文解读] In-Band $α$-Duplex Scheme for Cellular Networks: A Stochastic Geometry Approach

Ahmad AlAmmouri, Hesham ElSawy+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Full-Duplex Wireless Communications被引用 6

一句话总结

本文提出一种 $α$-双工方案，通过随机几何方法建模干扰，在蜂窝网络中实现上下行链路之间的部分频带重叠。结果表明，$α$-双工在下行链路和上行链路速率上分别实现28%和56%的同时增益，优于全双工和半双工方案，通过抑制上行链路干扰同时保持频谱效率。

ABSTRACT

In-band full-duplex (FD) communications have been optimistically promoted to improve the spectrum utilization and efficiency. However, the penetration of FD communications to the cellular networks domain is challenging due to the imposed uplink/downlink interference. This paper presents a tractable framework, based on stochastic geometry, to study FD communications in cellular networks. Particularly, we assess the FD communications effect on the network performance and quantify the associated gains. The study proves the vulnerability of the uplink to the downlink interference and shows that the improved FD rate gains harvested in the downlink (up to $97\%$) comes at the expense of a significant degradation in the uplink rate (up to $94\%$). Therefore, we propose a novel fine-grained duplexing scheme, denoted as $α$-duplex scheme, which allows a partial overlap between the uplink and the downlink frequency bands. We derive the required conditions to harvest rate gains from the $α$-duplex scheme and show its superiority to both the FD and half-duplex (HD) schemes. In particular, we show that the $α$-duplex scheme provides a simultaneous improvement of $28\%$ for the downlink rate and $56\%$ for the uplink rate. Finally, we show that the amount of the overlap can be optimized based on the network design objective.

研究动机与目标

• 为解决同频全双工（FD）蜂窝网络中因跨模式干扰导致的严重上行链路性能下降问题。
• 基于随机几何方法，构建一个可 tractable 的分析框架，用于在真实网络条件下评估全双工性能。
• 提出一种新型双工方案，允许上下行链路频段之间实现受控的部分重叠，以平衡频谱效率与干扰。
• 量化不同双工策略下上下行链路速率之间的权衡关系，并根据网络目标优化重叠程度。

提出的方法

• 使用泊松点过程建模基站和用户设备的位置，以实现随机干扰建模。
• 利用拉普拉斯变换和统计平均，推导出误比特率（BEP）、中断概率和遍历速率的闭式表达式。
• 引入 $α$-双工方案，允许上下行链路传输之间配置一定比例的频带重叠。
• 建模来自同频和邻频基站的跨模式干扰，考虑路径损耗、功率控制和自干扰消除的影响。
• 应用随机几何工具，包括干扰功率的拉普拉斯变换，推导出信干噪比（SINR）分布及性能指标。
• 通过数值评估验证分析结果，并在不同网络参数下将 $α$-双工与全双工和半双工方案进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同频全双工蜂窝网络中，跨模式干扰对上下行链路性能有何影响？
• RQ2 尽管全双工通信提升了下行链路频谱效率，其对上行链路性能的退化程度如何？
• RQ3 上下行链路频段之间的部分重叠方案是否能优于全双工或半双工模式？
• RQ4 $α$-双工方案中，为在不同设计目标下最大化网络性能，最优的频带重叠程度是多少？

主要发现

• 全双工通信可使下行链路速率最高提升97%，但同时使上行链路速率最高下降94%，凸显上行链路对跨模式干扰的高度敏感性。
• 所提出的 $α$-双工方案相比全双工和半双工方案，实现了下行链路速率28%的提升和上行链路速率56%的提升。
• $α$-双工方案优于全双工和半双工方案，通过实现对干扰和频谱复用的细粒度控制。
• $α$-双工方案中的最优重叠因子可根据网络目标进行调节，例如最大化上行链路或下行链路吞吐量。
• 分析框架准确捕捉了实际系统参数，包括功率控制、脉冲整形和匹配滤波，证实了所推导指标的鲁棒性。