[论文解读] Large Antenna Analysis of Multi-Cell Full-Duplex Networks

Jingwen Bai, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 27被引用 3

一句话总结

本文分析了在大规模天线基站的多小区全双工MIMO网络中，考虑导频污染、信道估计误差和非完美自干扰消除等实际损伤下的上行链路和下行链路的遍历速率。结果表明，全双工相较于半双工的2倍频谱效率增益在大规模天线系统中依然保持，使得在有限系统中可显著减少所需天线数量以实现高谱效率。

ABSTRACT

We study a multi-cell multi-user MIMO full-duplex network, where each base station (BS) has multiple antennas with full-duplex capability supporting single-antenna users with either full-duplex or half-duplex radios. We characterize the up- and downlink ergodic achievable rates for the case of linear precoders and receivers. The rate analysis includes practical constraints such as imperfect self- interference cancellation, channel estimation error, training overhead and pilot contamination. We show that the 2X gain of full-duplex over half-duplex system remains in the asymptotic regime where the number of BS antennas grows infinitely large. We numerically evaluate the finite SNR and antenna performance, which reveals that full-duplex networks can use significantly fewer antennas to achieve spectral efficiency gain over the half-duplex counterparts. In addition, the overall full-duplex gains can be achieved under realistic 3GPP multi-cell network settings despite the increased interference introduced in the full-duplex networks.

研究动机与目标

• 表征多小区全双工MIMO网络中大规模天线基站的上行链路和下行链路遍历可实现速率。
• 考虑实际损伤，如导频污染、信道估计误差、训练开销以及非完美自干扰消除。
• 评估当基站天线数量趋于无穷大时，全双工相较于半双工的2倍频谱效率增益是否在渐近极限下依然保持。
• 评估有限信噪比和有限天线数下的性能，表明全双工网络可在远少于半双工系统所需天线数的情况下实现增益。

提出的方法

• 在不完美信道状态信息下，利用线性预编码器和接收机推导上行链路和下行链路的遍历可实现速率表达式。
• 建模全双工操作带来的干扰，包括上行用户和邻近基站引起的小区间与小区内干扰。
• 应用大系统分析技术，利用中心极限定理近似和Wishart矩阵性质，计算信道增益乘积的期望值。
• 采用最小均方误差（MMSE）信道估计方法建模估计误差，并推导在不完美CSI下有效信道增益的方差表达式。
• 通过将导频污染建模为具有已知方差的零均值复高斯随机变量，纳入训练开销和导频污染的影响。
• 通过计算对信道估计值和误差项的期望，利用随机矩阵理论结果，推导出可实现速率的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在实际损伤的多小区大规模MIMO环境中，全双工相较于半双工的2倍频谱效率增益是否依然存在？
• RQ2 导频污染和信道估计误差如何影响大规模天线基站的全双工多小区网络中的遍历速率？
• RQ3 当基站天线数量趋于无穷大时，全双工增益是否能在渐近极限下保持？
• RQ4 与半双工系统相比，全双工网络在有限信噪比和有限天线数下的性能权衡如何？
• RQ5 尽管干扰增加，全双工的整体增益是否仍可在真实的3GPP多小区网络条件下实现？

主要发现

• 即使在非完美自干扰消除条件下，当基站天线数量趋于无穷大时，全双工相较于半双工的2倍频谱效率增益在渐近意义上依然保持。
• 在渐近极限下，随着天线数量增加，小区内和小区间干扰以及信道估计误差的影响均趋于消失。
• 仅服务全双工用户时，2倍增益得以保持；但当存在半双工用户时，由于训练开销和导频污染的影响，增益不再成立。
• 有限信噪比仿真表明，全双工网络可在远少于半双工系统所需天线数的情况下，实现与半双工系统相当的频谱效率。
• 尽管干扰增加，全双工的整体增益在真实的3GPP多小区网络场景中仍可实现，验证了其实际可行性。