System-level performance of interference-aware spatial frequency reuse

Abstract

Spatial frequency reuse is a long-established approach for enhancing the capacity of wireless systems through increased spectral efficiency (bits per second per unit bandwidth). The future 5th generation of wireless systems is expected to incorporate various forms of frequency reuse. This includes multiple-input multiple-output (MIMO) communication enabling frequency reuse across antennas, device-to-device (D2D)-based densification allowing spectrum reuse across direct communication links, and full duplexing utilizing the same spectrum for communication in the transmit and receive directions.

This dissertation aims at determining the performance limits of emerging wireless systems underpinned by dense spatial frequency reuse and interference suppression, and to glean key system design insights. Stochastic geometry is the toolbox invoked to conduct the analysis, with network locations modeled as points of a Poisson process. A new framework is developed by introducing a Gaussian fit to the interference and variable degrees of spatial averaging, which enable more meaningful results and compact expressions compared to those of existing analyses.

Within this framework, we first consider MIMO spatial multiplexing and interference alignment (IA). The former scheme utilizes all available spatial dimensions for signaling and the latter minimizes interference at the expense of knowing the instantaneous fading states at both transmitters and receivers and of a reduction in spatial signaling dimensions. Despite the intense work on IA and spatial multiplexing, there is limited work aimed at understanding their engineering tradeoff in the context of practically relevant cellular settings such as propagation losses, fading dynamics due to user mobility and imperfect knowledge of the fading states. We have studied this problem in depth through both system- and link-level analyses. Even under perfect knowledge of the fading, IA is seen to be beneficial over spatial multiplexing only in very specific and relatively infrequent network situations, and IA loses all its advantages at vehicular speeds when the fading knowledge is imperfect.

Second, we focus on ITLinQ and FlashLinQ, the two principal channelization schemes proposed to date for controlling the interference in D2D networks. An analytical characterization of ITLinQ scheme is provided, opening the door to optimizing its controllable parameters. It is shown that both channelization schemes outperform the unchannelized baseline, with a slight edge for ITLinQ. On the most unfavorable network geometries, ITLinQ yields multiple-fold improvements in spectral efficiency with respect to an unchannelized network. Finally, we introduce full-duplex transceivers in cellular networks and characterize the impact of increased interference on their performance. It is established through analysis and complemented by simulations on a Vodafone LTE field test network that additional user-to-user interference only has a minor impact while base-to-base interference would render full-duplex operation unfeasible in dense microcellular networks without any interference management.

In summary, MIMO spatial multiplexing and D2D-based densification are seen to play a vital role in improving wireless system capacity while IA and full duplexing are found to be ineffective.

La reutilització de la freqüència espacial és l’aproximació més acceptada per tal de millorar la capacitat dels sistemes wireless mitjançant l'increment de l'eficiència espectral (bits per segon per unitat d'ample de banda). S'espera que la futura cinquena generació de sistemes wireless incorpori diverses formes de reutilització de freqüència. Això inclou la comunicació multi-input multi-output (MIMO) que permet la reutilització a través d'antenes, densificació dispositiu-a-dispositiu (D2D) que permet reutilitzar l'espectre a través d’enllaços de comunicació directa, així com un full-dúplex emprant el mateix espectre per a la comunicació en la transmissió i recepció de direccions.

Aquest treball pretén determinar els límits de rendiment dels sistemes wireless emergents, basats en una densa reutilització de la freqüència espacial i en la supressió d'interferències, així com espigolar coneixement clau per al disseny de sistemes d'aquest tipus. La geometria estocàstica és l'eina que s'aplicarà a l'anàlisi que es durà a terme, modelitzant les localitzacions dins la xarxa com a punts d'un procés de Poisson. La introducció d'un ajust Gaussià a la interferència, conjuntament amb la consideració de nivells variables d'expectació espacial, han permès definir un nou marc matemàtic que fa possible unes expressions més compactes i uns resultats més significatius en comparació amb els anàlisis existents.

Dins d'aquest marc, en primer lloc es prenen en consideració la multiplexació MIMO i l'aliniament d'interferència (IA, en les seves sigles en anglès). El primer esquema empra totes les dimensions espacials disponibles per a la senyalització i el segon minimitza la interferència a costa de conèixer els estats de esvaïment instantani dels transmissors i receptors, i d'una reducció en les dimensions de senyalització espacial. Malgrat l'intens treball en l'IA i la multiplexació espacial, s'ha prestat escassa atenció a tractar de comprendre el seu balanç d’enginyeria en el context d'xarxes cel.lulars de rellevància pràctica, com els de propagació de pèrdues, o les dinàmiques de esvaïment degudes a la mobilitat de l'usuari i al coneixement imperfecte dels estats de esvaïment. En aquest treball s'ha estudiat en profunditat aquest problema a través d'anàlisis tant a nivell dels enllaços com del sistema. Fins i tot en condicions de coneixement perfecte del esvaïment, l'IA resulta beneficiós sobre la multiplexació només en situacions de xarxa molt específiques i relativament infreqüents, mentre que perd tots els seus avantatges a velocitats vehiculars quan el coneixement del esvaïment és imperfecte.

En segon lloc, el treball es centra en el ITLinQ i el FlashLinQ, els dos principals esquemes de canalització proposats fins al moment per controlar la interferència en xarxes D2D. S'ofereix una caracterització analítica de l'esquema ITLinQ, obrint així la porta a l'optimització dels seus paràmetres controlables. Es mostra que tots dos esquemes de canalització aconsegueixen millors resultats que l'esquema no canalitzat, amb un lleuger avantatge per al ITLinQ. Considerant la geometria de xarxa més desfavorable, el ITLinQ produeix millores múltiples en l'eficiència espectral en comparació amb la xarxa no canalitzada.

Finalment, el treball introdueix els transreceptors full-dúplex en xarxes cel.lulars i caracteritza l'impacte de la interferència incrementada en el seu funcionament. A través d'anàlisis i de simulacions complementàries en una xarxa de test de Vodafone LTE, s'estableix que la interferència d'usuari a usuari té un impacte poc significatiu mentre que la interferència de base a base faria inviable l'operació full-dúplex en xarxes microcell.lulars sense gestió de les interferències.

En resum, aquest tesis doctoral aporta evidència de que el multiplexat MIMO i la densificació basada en D2D juguen un paper vital en la millora de la capacitat dels sistemes wireless mentre que el IA i el full-dúplex resulten inefectius.