[论文解读] Throughput Analysis for Full-Duplex Wireless Networks with Imperfect Self-interference Cancellation

Zhen Tong, Martin Haenggi|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 20被引用 9

一句话总结

本文使用随机几何方法分析了在自干扰消除不完善情况下的全双工（FD）无线网络吞吐量性能。结果表明，只有当自干扰被抑制到某一阈值以下时，FD才优于半双工（HD）；对于ALOHA协议，最大吞吐量增益被限制在$\frac{2\alpha}{\alpha+2}$以内，并量化了使FD优于HD所需的干扰消除水平。

ABSTRACT

This paper investigates the throughput for wireless network with full-duplex radios using stochastic geometry. Full-duplex (FD) radios can exchange data simultaneously with each other. On the other hand, the downside of FD transmission is that it will inevitably cause extra interference to the network compared to half-duplex (HD) transmission. Moreover, the residual self-interference has negative effects on the network throughput. In this paper, we focus on a wireless network of nodes with both HD and FD capabilities and derive and optimize the throughput in such a network. Our analytical result shows that if the network is adapting an ALOHA protocol, the maximal throughput is achieved by scheduling all concurrently transmitting nodes to work in either FD mode or HD mode depending on one simple condition. Moreover, the effects of imperfect self-interference cancellation on the signal-to-interference ratio (SIR) loss and throughput are also analyzed based on our mathematical model. We rigorously quantify the impact of imperfect self-interference cancellation on the throughput gain, transmission range, and other metrics, and we establish the minimum amount of self-interference suppression needed for FD to be beneficial.

研究动机与目标

• 分析在自干扰消除不完善条件下，全双工（FD）无线网络相比半双工（HD）的吞吐量增益。
• 确定在混合HD/FD网络中，FD相较于HD实现更高网络吞吐量的条件。
• 量化使FD相对于HD具有净吞吐量增益所需的最小自干扰消除水平。
• 对残余自干扰导致的信号干扰比（SIR）损失进行建模与边界界定。
• 推导FD与HD实现相同吞吐量的临界点，该临界点取决于干扰消除水平与链路距离。

提出的方法

• 将无线网络建模为泊松点过程（PPP），其中节点可工作于HD或FD模式。
• 使用随机几何方法推导在自干扰消除不完善条件下，HD与FD链路的信号干扰比（SIR）分布。
• 应用SIR分布的横向平移概念，对残余自干扰引起的SIR损失进行紧密边界界定。
• 推导FD相对于HD的吞吐量增益（TG），其为SIR阈值、路径损耗指数$\alpha$以及自干扰消除水平$\beta$的函数。
• 通过FD与HD模式下平均传输速率的比值，建立吞吐量增益的解析边界。
• 考虑ALOHA媒体接入协议，并推导最优调度策略：所有节点应根据一个涉及SIR阈值与干扰抑制的单一条件，统一采用FD或HD模式运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，全双工传输在吞吐量方面优于半双工传输？
• RQ2 在采用ALOHA接入的随机无线网络中，FD相对于HD的最大可实现吞吐量增益是多少？
• RQ3 不完善的自干扰消除如何影响FD网络中的信号干扰比（SIR）与吞吐量？
• RQ4 FD相对于HD实现净吞吐量增益所需的最小自干扰消除水平是多少？
• RQ5 临界点（即FD与HD吞吐量相等的点）如何依赖于链路距离与消除性能？

主要发现

• FD相对于HD的最大吞吐量增益被限制在$\frac{2\alpha}{\alpha+2}$以内，对于实际路径损耗指数范围$\alpha \in (2,4]$，该值介于0至33%之间。
• 在完美自干扰消除条件下，吞吐量增益随SIR阈值增加而上升，当SIR阈值趋于无穷大时，增益趋近于$\frac{2}{1+\delta}$。
• 在自干扰消除不完善的情况下，吞吐量增益可能低于1，意味着当消除不足时，HD反而优于FD。
• 以分贝表示的所需自干扰消除水平与链路距离呈对数关系，即长距离链路需要显著更高的消除水平才能使FD具有优势。
• 通过SIR分布的横向平移，对残余自干扰导致的SIR损失进行了紧密边界界定，从而提供了性能退化的精确度量。
• 临界点（即FD与HD吞吐量相等的点）取决于自干扰消除量与链路距离，链路越长，越需要更高的消除性能才能使FD具有优势。