[论文解读] Performance Evaluation of User Scheduling for Full-Duplex Small Cells in Ultra-Dense Networks

Italo Atzeni, Marios Kountouris+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 11被引用 18

一句话总结

本文利用随机几何和3GPP信道模型，评估了超密集网络（UDNs）中全双工（FD）小细胞的用户调度与功率分配。提出三种低复杂度用户调度算法，并证明将它们与最优功率分配（OPA）结合可实现高达19.1%的和速率增益，尤其在基站密度较高且具备充分的自干扰消除（SIC）能力时效果显著。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) communication is an emerging technology that can potentially double the throughput of cellular networks. Preliminary studies in single-cell or small FD network deployments have revealed promising rate gains using self-interference cancellation (SIC) techniques and receive processing. Nevertheless, the system-level performance gains of FD small cells in ultra-dense networks (UDNs) have not been fully investigated yet. In this paper, we evaluate the performance of resource allocation in ultra-dense FD small-cell networks using spatial stochastic models for the network layout and 3GPP channel models. More specifically, we consider various UDN scenarios and assess the performance of different low-complexity user-scheduling schemes and power allocation between uplink and downlink. We also provide useful insights into the effect of the SIC capability on the network throughput.

研究动机与目标

• 评估在真实部署条件下，全双工（FD）小细胞在超密集网络（UDNs）中的系统级性能。
• 研究用户调度与功率分配对FD增强型UDNs中网络吞吐量的影响。
• 量化自干扰消除（SIC）能力与基站密度在决定FD性能增益中的作用。
• 在不同网络条件及有无最优功率分配（OPA）的情况下，比较低复杂度用户调度算法的性能。

提出的方法

• 使用硬核点过程（HCPP）建模UDN的网络布局，以反映小基站（BS）的空间分布。
• 引入3GPP信道模型以描述路径损耗和阴影衰落，反映真实的传播条件。
• 提出三种低复杂度用户调度算法：算法1（独立选择上行/下行链路）、算法2（下行链路优化）、算法3（联合优化以最大化和速率）。
• 在所有算法中应用最优功率分配（OPA），以平衡所有链路的上行（UL）与下行（DL）发射功率。
• 推导考虑自干扰、小区间干扰与用户间干扰的上行与下行链路的信干噪比（SINR）表达式。
• 采用蒙特卡洛仿真与经验累积分布函数（CDF）评估不同基站密度与SIC能力下的上行、下行与和速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FD UDN中，不同低复杂度用户调度算法在上行、下行与和速率方面的表现如何？
• RQ2 最优功率分配（OPA）对FD小细胞中用户调度算法性能的影响是什么？
• RQ3 基站密度如何影响FD UDN中的和速率与干扰水平？
• RQ4 与半双工（HD）模式相比，FD操作可行所需的最小SIC能力是多少？
• RQ5 多天线（MIMO）如何提升FD UDN中用户调度算法的性能？

主要发现

• 算法3通过联合优化上行与下行用户选择，在所有调度算法中实现最高的和速率。
• 应用最优功率分配（OPA）可提升所有用户调度算法的和速率，其中算法2与算法3的增益最为显著。
• 在基站密度为$10^{-5}$ BSs/m²时，采用OPA的算法2相比HD模式实现19.1%的和速率增益。
• 具备充分SIC能力（$\Omega \geq 110$ dB）可将自干扰降低至类似噪声水平，从而支持FD通信；当$\Omega < 60$ dB时，FD不可行，性能趋同于HD模式。
• MIMO配置显著提升了上行与下行速率，其中算法3在多天线场景下表现出最显著的增益。
• 在算法1中，用户间干扰严重损害下行性能，而算法2与算法3通过协同用户选择有效抑制了该干扰。