[论文解读] Uplink and Downlink Performance Bounds for Full Duplex Cellular Networks

Askar Mandali Kundu, Rudrashish Pal+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文利用马尔可夫聚类过程（Matern Cluster Process）对用户-基站分布进行建模，分析了全双工（FD）蜂窝网络中的上行链路和下行链路性能，采用分数功率控制进行上行链路传输。研究发现，尽管全双工可提升下行链路速率，但会因同频干扰严重恶化上行链路性能，且提出通过密集部署低功率基站可缓解这一权衡问题。

ABSTRACT

With Full Duplex (FD), wireless terminal is capable of transmitting and receiving data simultaneously in the same frequency resources, however, it introduces self interference and co-channel interference. Even though various signal processing techniques are emerged to cancel the self interference, the bottleneck for FD performance in cellular systems is the co-channel interference from the other uplink and downlink signals. In this work we have studied both the uplink and downlink performances of a FD cellular network, where users employ fractional power control in uplink. We use Matern Cluster Process to model the network, which provides a tractable and realistic model to characterize the user-base station distances which are needed for uplink power control. Based on the obtained coverage probabilities, rates and their robust approximations, we show that while FD improves downlink performance, it severely hurts the uplink performance. Also, we provide a trade-off between uplink and downlink performances. Our study suggests dense deployment of low power base stations can improve the performance of FD system.

研究动机与目标

• 评估全双工蜂窝网络中上行链路与下行链路之间的性能权衡。
• 利用马尔可夫聚类过程对用户-基站距离分布进行建模，以实现准确的上行链路功率控制。
• 量化同频干扰对全双工系统中上行链路与下行链路速率的影响。
• 识别可缓解上行链路性能退化、同时保持下行链路增益的部署策略。

提出的方法

• 使用马尔可夫聚类过程对蜂窝网络进行建模，以捕捉用户与基站之间的真实空间分布。
• 在用户端应用分数功率控制，根据用户与服务基站之间的距离调节上行链路发射功率。
• 利用随机几何方法，推导上行链路与下行链路的覆盖概率和频谱效率的闭式表达式。
• 采用可处理的近似方法，分析在不同网络密集化程度和干扰条件下的系统性能。
• 通过比较不同部署场景下的覆盖概率与速率指标，评估上行链路与下行链路之间的性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 全双工操作如何影响蜂窝网络中的上行链路与下行链路覆盖概率及频谱效率？
• RQ2 尽管具备自干扰消除能力，同频干扰在多大程度上会恶化全双工系统中的上行链路性能？
• RQ3 通过马尔可夫聚类过程建模的用户与基站空间分布，如何影响上行链路功率控制与系统性能？
• RQ4 在真实部署条件下，全双工网络中上行链路与下行链路的性能权衡如何体现？
• RQ5 密集部署低功率基站是否能改善全双工蜂窝系统中的整体性能平衡？

主要发现

• 全双工操作通过在同一频段上同时进行发送与接收，提升了下行链路性能。
• 即使具备自干扰消除能力，上行链路性能仍严重受同频干扰影响，成为全双工系统的主要瓶颈。
• 马尔可夫聚类过程为用户-基站距离提供了真实且可处理的建模方式，有助于实现精确的上行链路功率控制与性能评估。
• 上行链路与下行链路性能之间存在显著权衡，下行链路增益被上行链路损失所抵消。
• 密集部署低功率基站可有效缓解上行链路性能退化，并提升整体系统性能。