[论文解读] On the Degrees of Freedom of Full-Duplex Cellular Networks.

Minho Yang, Sang-Woon Jeon+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Full-Duplex Wireless Communications被引用 3

一句话总结

本文研究了全双工（FD）蜂窝网络中的和速率自由度（DoF），其中配备可重构波束成形天线的基站（BS）同时支持半双工下行链路和上行链路用户。研究结果表明，即使存在用户间干扰，采用可重构天线的全双工操作仍可使和速率自由度相比传统半双工网络翻倍，并且在实际信噪比（SNR）水平下，该DoF增益可转化为和速率的提升。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) cellular networks are considered in which a FD base station (BS) simultaneously supports a set of half-duplex (HD) downlink (DL) users and a set of HD uplink (UL) users. The transmitter and the receiver of the BS are equipped with reconfigurable antennas, each of which can choose its transmit or receive mode from several preset modes. Under the no self-interference assumption arisen from FD operation at the BS, the sum degrees of freedom (DoF) of FD cellular networks is investigated for both no channel state information at the transmit side (CSIT) and partial CSIT. In particular, the sum DoF is completely characterized for the no CSIT model and an achievable sum DoF is established for the partial CSIT model, which improves the sum DoF of the conventional HD cellular networks. For both the no CSIT and partial CSIT models, the results show that the FD BS with reconfigurable antennas can double the sum DoF even in the presence of user-to-user interference as both the numbers of DL and UL users and preset modes increase. It is further demonstrated that such DoF improvement indeed yields the sum rate improvement at the finite and operational signal-to-noise ratio regime.

研究动机与目标

• 表征配备可重构天线的全双工蜂窝网络中，基站同时支持下行链路和上行链路半双工用户时的和速率自由度（DoF）。
• 分析在发射端信道状态信息（CSIT）完全缺失和部分缺失两种情况下，基站处可重构天线对DoF性能的影响。
• 确定在存在用户间干扰的情况下，采用可重构天线的全双工操作是否能显著提升DoF性能，超越传统半双工蜂窝网络。
• 评估理论DoF增益是否能在有限SNR条件下转化为实际的和速率增益。

提出的方法

• 该研究建立了一个配备可重构天线的全双工基站模型，其天线可切换至发送或接收模式，从而实现上行链路与下行链路的并发传输。
• 在两种CSIT模型下分析和速率自由度：无CSIT（发射端无信道知识）和部分CSIT（有限信道知识）。
• 对于无CSIT模型，论文通过干扰对齐与天线重构技术，推导出和速率自由度的闭式表达式。
• 对于部分CSIT模型，论文提出一种传输策略，其可实现的和速率自由度优于传统半双工系统。
• 通过有限信噪比（SNR）下的和速率仿真验证了DoF分析结果，展示了实际性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无CSIT条件下，配备可重构天线的全双工蜂窝网络的和速率自由度（DoF）是多少？
• RQ2 部分CSIT如何影响该网络中可实现的和速率自由度？
• RQ3 在存在用户间干扰的情况下，配备可重构天线的全双工基站是否能实现相对于传统半双工系统的DoF增益？
• RQ4 理论上的DoF提升是否能在实际有限SNR工作条件下转化为可测量的和速率增益？

主要发现

• 对于无CSIT模型，和速率自由度被完全表征，结果表明配备可重构天线的全双工基站其DoF增益随预设天线模式数量的增加而增长。
• 针对部分CSIT模型，建立了可实现的和速率自由度，其值超过传统半双工蜂窝网络的和速率自由度。
• 研究证明，即使在用户间干扰存在的情况下，随着下行链路和上行链路用户数及预设天线模式数的增加，该DoF增益仍可使和速率自由度实现翻倍。
• 理论DoF提升在有限且实际的SNR范围内被验证可带来可观的和速率增益，证实了其实际应用价值。