[论文解读] Resource Allocation in Heterogenous Full-duplex OFDMA Networks: Design and Analysis

Peyman Tehrani, Farshad Lahouti+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于异构全双工OFDMA网络的联合子信道与功率分配算法，旨在最大化小型小区用户的加权和速率，同时保护宏小区用户的速率。该研究考虑了非理想全双工操作、自干扰以及混合半双工/全双工用户部署的情况，表明只有当自干扰消除超过临界阈值时，吞吐量才能翻倍；否则，增益受限于残留干扰。

ABSTRACT

Recent studies indicate the feasibility of full-duplex (FD) bidirectional wireless communications. Due to its potential to increase the capacity, analyzing the performance of a cellular network that contains full-duplex devices is crucial. In this paper, we consider maximizing the weighted sum-rate of downlink and uplink of an FD heterogeneous OFDMA network where each cell consists of an imperfect FD base-station (BS) and a mixture of half-duplex and imperfect full-duplex mobile users. To this end, first, the joint problem of sub-channel assignment and power allocation for a single cell network is investigated. Then, the proposed algorithms are extended for solving the optimization problem for an FD heterogeneous network in which intra-cell and inter-cell interferences are taken into account. Simulation results demonstrate that in a single cell network, when all the users and the BSs are perfect FD nodes, the network throughput could be doubled. Otherwise, the performance improvement is limited by the inter-cell interference, inter-node interference, and self-interference. We also investigate the effect of the percentage of FD users on the network performance in both indoor and outdoor scenarios, and analyze the effect of the self-interference cancellation capability of the FD nodes on the network performance.

研究动机与目标

• 设计一种资源分配框架，以在具有非理想全双工基站和混合半双工/全双工用户的异构全双工OFDMA网络中最大化加权和速率。
• 分析自干扰消除能力对网络性能的影响，特别是在室内与室外场景中的表现。
• 确定实现全双工系统相对于半双工系统吞吐量增益所需的最低自干扰消除水平。
• 评估全双工用户比例对单小区与多小区场景下频谱效率的影响。

提出的方法

• 针对具有混合半双工与全双工用户的单小区全双工OFDMA网络，建立联合子信道分配与功率分配问题。
• 采用凸优化技术，在保证宏小区用户服务质量的前提下求解功率分配子问题。
• 应用一种迭代算法，联合优化异构多小区网络中的子信道分配与功率分配，同时考虑小区内与小区间干扰。
• 引入基于阈值的自干扰消除分析，推导出一个临界消除水平，低于该水平时全双工增益将消失。
• 采用路径损耗模型与仿真设置，包含宏小区与小型小区，以在真实传播条件下评估性能。
• 通过仿真验证理论结果，对比不同自干扰水平与用户比例下的全双工-全双工（FD-FD）、全双工-半双工（FD-HD）与仅半双工（HD-only）配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 全双工网络在频谱效率方面要超越半双工网络，所需的最低自干扰消除水平是多少？
• RQ2 全双工用户比例在室内与室外环境中如何影响整体网络吞吐量？
• RQ3 小区间干扰与节点间干扰在多大程度上限制了非理想全双工节点的全双工OFDMA网络容量增益？
• RQ4 所提出的资源分配算法能否在确保宏小区用户最低速率约束的前提下，实现显著的频谱效率增益？
• RQ5 在多小区全双工OFDMA网络中，宏小区速率需求与小型小区和速率性能之间的权衡关系如何体现？

主要发现

• 当所有用户和基站均为理想全双工节点时，网络频谱效率可提高一倍，理论容量增益达100%。
• 在非理想全双工操作下，实际吞吐量增益受限于残留自干扰、节点间干扰及小区间干扰。
• 在室内环境中，仅10%的节点具备全双工能力即可显著提升吞吐量，原因在于节点间干扰减少。
• 在室外场景中，增加全双工用户比例仅带来边际增益，因为路径损耗与传播条件限制了全双工操作的优势。
• 存在一个临界自干扰消除阈值；若消除水平低于约-90 dB至-120 dB（视场景而定），全双工网络无法超越半双工网络性能。
• 仿真结果证实了自干扰消除阈值的理论分析，理论预测与实际性能表现高度一致。