[论文解读] Performance of Network-Assisted Full-Duplex for Cell-Free Massive MIMO

Dongming Wang, Menghan Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 39被引用 8

一句话总结

本文提出在通感一体大规模MIMO中采用网络辅助全双工（NAFD），通过联合处理分布式的远端射频单元（RAU）信号，实现灵活、按需的双工模式。利用大维随机矩阵理论，推导了在信道状态信息（CSI）不完美和空间相关信道条件下，上行链路和反向链路和速率的确定性等价表达式（上行链路采用MMSE合并，反向链路采用预编码波束成形ZFBF/RZF），结果表明：采用半双工RAU的NAFD在频谱效率上优于同规模的同频全双工系统，且基于遗传算法的用户调度进一步提升了反向链路速率。

ABSTRACT

Network assisted full-duplex (NAFD) is a spatial-division duplex technique for future wireless networks with cell-free massive multiple-input multiple-output (CF massive MIMO) network, where a large number of remote antenna units (RAUs), either using half-duplex or full-duplex, jointly support truly flexible duplex including time-division duplex, frequency-division duplex and full duplex on demand of uplink and downlink traffic by using network MIMO methods. With NAFD, bi-directional data rates of the wireless network could be increased and end-to-end delay could be reduced. In this paper, the spectral efficiency of NAFD communications in CF massive MIMO network with imperfect channel state information (CSI) is investigated under spatial correlated channels. Based on large dimensional random matrix theory, the deterministic equivalents for the uplink sum-rate with minimum-mean-square-error (MMSE) receiver as well as the downlink sum-rate with zero-forcing (ZF) and regularized zero-forcing (RZF) beamforming are derived. Numerical results show that under various environmental settings, the deterministic equivalents are accurate in both a large-scale system and system with a finite number of antennas. It is also shown that with the downlink-to-uplink interference cancellation, the uplink spectral efficiency of CF massive MIMO with NAFD could be improved. The spectral efficiencies of NAFD with different duplex configurations such as in-band full-duplex, and half-duplex are compared. With the same total numbers of transmit and receive antennas, NAFD with half-duplex RAUs offers a higher spectral efficiency. To alleviate the uplink-to-downlink interference, a novel genetic algorithm based user scheduling strategy (GAS) is proposed. Simulation results show that the achievable downlink sum-rate by using the GAS is greatly improved compared to that by using the random user scheduling.

研究动机与目标

• 为解决未来5G/6G网络中灵活双工模式下的上行到反向链路干扰（CLI）问题，提出一种新型网络辅助全双工（NAFD）框架。
• 分析在CSI不完美和空间相关衰落条件下，NAFD在通感一体大规模MIMO中的频谱效率。
• 利用大维随机矩阵理论，推导上行链路（MMSE）和反向链路（ZF、RZF）和速率的确定性等价表达式。
• 比较不同双工配置（同频全双工、半双工、NAFD）下的频谱效率，并评估干扰消除的影响。
• 设计一种基于遗传算法的用户调度（GAS）策略，通过抑制CLI提升反向链路和速率。

提出的方法

• 在通感一体大规模MIMO中提出一种网络辅助全双工（NAFD）架构，由中心处理器协调RAU，实现TDD、FDD和全双工等模式的按需灵活切换。
• 推导采用最小均方误差（MMSE）合并的上行链路和速率确定性等价表达式，以及采用迫零（ZF）和正则化迫零（RZF）波束成形的反向链路和速率确定性等价表达式。
• 应用大维随机矩阵理论，推导在CSI不完美和空间相关信道条件下的频谱效率渐近表达式。
• 提出一种新颖的基于遗传算法的用户调度（GAS）策略，以最小化上行到反向链路干扰并提升反向链路和速率。
• 利用随机几何与矩阵迹近似方法建模干扰，并推导SINR与频谱效率的可计算表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CSI不完美和空间相关信道条件下，NAFD如何提升通感一体大规模MIMO的频谱效率？
• RQ2 与传统半双工和同频全双工配置相比，NAFD在频谱效率方面有何性能增益？
• RQ3 在NAFD支持的通感一体大规模MIMO系统中，反向链路到上行链路的干扰消除对提升上行链路频谱效率有多有效？
• RQ4 与随机调度相比，基于遗传算法的用户调度策略是否能显著提升反向链路和速率？
• RQ5 基于大维随机矩阵理论推导的确定性等价表达式，在大规模与有限天线系统中是否具有足够准确性？

主要发现

• 即使在有限天线数系统中，上行链路（MMSE）和反向链路（ZF/RZF）和速率的确定性等价表达式仍具有高度准确性，验证了渐近分析的有效性。
• 在总发射与接收天线数相同条件下，采用半双工RAU的NAFD在频谱效率上优于同频全双工系统。
• 反向链路到上行链路的干扰消除显著提升了NAFD支持的通感一体大规模MIMO系统的上行链路频谱效率。
• 所提出的基于遗传算法的用户调度（GAS）策略相比随机调度，显著提升了反向链路和速率。
• 推导的确定性等价表达式在多种环境设置下均表现稳健，包括空间相关信道和CSI不完美情况。