User grouping in wireless networks with full duplex base stations and legacy mobile stations

Abstract

Spektral verimliliği arttırmak yeni nesil kablosuz ağların önemli hedeflerinden biridir. Yeni öz-girişim giderim yöntemleriyle ilgili son gelişmeler aynı bant tam çift yönlü kablosuz iletişimi olası hale getirmiştir. Aynı bant çift yönlü kablosuz radyolar verici ve alıcı ayırması için dikey frekans ya da zaman kaynağı gerektirmediğinden çift yönlü sistemlere göre kuramsal olarak ergodik kapasiteyi iki katına çıkarabilir. Öte yandan maliyet, güç tüketimi ve karmaşıklık kısıtlamaları nedeniyle mobil istasyonlar bu teknolojiyi kullanmayabilir. Bu çalışmada tam çift yönlü baz istasyonları ve eski çift yönlü mobil istasyonlarının çalışması ele alınmıştır. Bu topolojinin doğal bir sorunu çift yönlü mobil istasyonlar arasındaki kullanıcı arası girişimdir. Bunu ağ seviyesinde yönetmek için küçük hücre ağları için bir optimizasyon problemi formülleştirilmiştir. Çözüm yöntemleri ve bunların toplam çıktıları kullanıcı sayısı da dikkate alınarak karşılaştırılmıştır. Rastgele eşleme yönteminin çıktısını ve tam çift yönlü kazançlarını değerlendirmek için analitik bir çözüm sunulmuştur. Daha sonra sınırlı kanal durum bilgisi senaryosu değerlendirilmiş ve bir öğrenme stratejisi ortaya konularak kullanıcı eşleme problemi genişletilmiş bir hücrede sürekli hale getirilmiştir. 100 mobil istasyon ile yapılan hesaplamalar öğrenme stratejisinin yayın süresi yükünü /%80'den fazla azaltabildiği görüşmüştür. Öğrenme stratejisiyle birleştirilmiş bir ağırlıklı sıralı rastgele algoritma önerilmiş ve performansı rastgele yürüyüş ve rastgele güzergah hareketlilik modelleriyle değerlendirilmiştir.

Improving spectral efficiency is a key objective in next generation wireless networks. Recent advances in self-interference cancellation techniques made in-band full-duplex wireless communications possible. Unlike half-duplex systems which require orthogonal frequency or time resources to separate transmission and reception, in-band full-duplex radios utilize the channel bidirectionally and theoretically can double the ergodic capacity. However due to cost, power consumption and complexity constraints, mobile stations may not support this technology. In this work, operation of full-duplex base stations with legacy half-duplex mobile stations is considered. An inherent issue of this topology is the presence of significant inter-user interference between half-duplex mobile stations. In order to manage this at network level, an optimization problem is formulated for a cellular network topology. Solution methods and their corresponding sum throughput are compared with respect to the number of mobile stations. An analytic solution is presented to evaluate the throughput and full-duplex gains of random pairing method for the same scenario. Then the case of limited channel state information is evaluated and a learning strategy is introduced to extend the user pairing problem to a continuous case. Performance evaluation with 100 mobile stations show that the proposed learning strategy can reduce the overhead airtime more than 80/%. A weighted random sequential algorithm which is integrated to the learning process is proposed, and its performance evaluation under random walk and random waypoint mobility cases are performed.