[論文レビュー] A Linearization Technique for Self-Interference Cancellation in Full-Duplex Radios

Arjun Nadh, Joseph Samuel+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 17被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、全デュプレックスラジオにおける自己干渉（SI）を、送信信号とその1階微分の線形結合としてモデル化する線形化技術を提案する。これにより、SIチャネル推定問題が2つのパラメータ（C₀ と C₁）に簡略化される。屋内環境における実験的検証を通じて、高精度で低複雑性のSIキャンセレーションを実現し、最大75 dBのキャンセレーションを達成。これにより、エンドユーザデバイス向けにコンactで効率的な全デュプレックス変調器の実現が可能になる。

ABSTRACT

The fundamental problem in the design of a full-duplex radio is the cancellation of the self-interference (SI) signal generated by the transmitter.Current techniques for suppressing SI rely on generating a copy of the SI signal and subtracting it partly in the RF (radio frequency) and digital domains. A critical step in replicating the self-interference is the estimation of the multi-path channel through which the transmitted signal propagates to the antenna. Since there is no prior model on the number of multipath reflections, current techniques assume a tap delay line filter (in the RF and digital domain) with a large number of taps, and estimate the taps in the analog and the digital domain. Assuming such a model leads to a large form-factor for the analog and RF circuits and increased complexity in the digital domain. In this paper, using a linearization technique, we show that the self-interference channel in an indoor environment can be effectively modelled as $H(f)=C_0 + C_1f$ in the frequency domain. Thus, the effective self-interference channel can be represented by two parameters $C_0$ and $C_1$, irrespective of the multipath environment. We also provide experimental evidence to verify the above channel model and propose novel low-complexity designs for self-interference cancellation. Linearization not only aids in the practicality of analog cancellation by reducing the form factor, but also results in a simpler SI filter model in the digital domain due to dimensionality reduction of the channel parameters. Therefore this method can enable the widespread adoption of full-duplex techniques to portable devices in addition to infrastructure base-stations.

研究の動機と目的

• 全デュプレックスラジオにおける高次元的かつ時間変動性のあるマルチパス自己干渉の課題に対処すること。
• 従来のタップ遅延線モデルにおける未知のタップ数を推定する複雑さを克服すること。
• コンパactsなデバイスに適した低複雑性でスケーラブルな自己干渉キャンセレーションアーキテクチャの開発。
• 屋内環境における自己干渉チャネルが周波数ドメインで H(f) = C₀ + C₁f として正確にモデル化可能であることを検証すること。
• パrameter数の削減によりRFおよびデジタルドメインのキャンセレーションを簡略化し、実用的な全デュプレックス動作を可能にすること。

提案手法

• テイラー級数近似を用いて、周波数ドメインにおける自己干渉チャネルを線形関数 H(f) = C₀ + C₁f としてモデル化する。
• この線形モデルを用いて、マルチパスの豊富さに関係なく、2つのパラメータ（C₀ と C₁）でのみ有効なSIチャネルを表現する。
• ベクトルモジュレータを用いてアナログキャンセレーションを実装し、ベースバンド信号とその微分成分をキャンセルする。
• 既知の送信信号とその微分（x(nT), x′(nT), x′′(nT)）を用いて、ベースバンドドメインでデジタルキャンセレーションを適用する。
• サンプリングの位相オフセット δ が小さいことを利用して、I(nT+δ) を x(nT)、x′(nT)、x′′(nT) を用いて近似する。
• アナログおよびデジタルキャンセレーションステージを組み合わせ、自己干渉の信号および微分成分を同時に抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 屋内全デュプレックス環境における自己干渉チャネルは、2つのパラメータでのみ効果的にモデル化可能か？
• RQ2 自己干渉チャネルの線形近似（H(f) = C₀ + C₁f）は、実際のマルチパス伝搬を正確に表現できるか？
• RQ3 送信信号の微分成分は、キャンセレーション性能を顕著に向上させることができるか？
• RQ4 従来のマルチタップ遅延線モデルと比較して、提案手法の線形化技術は推定の複雑さをどの程度低減できるか？
• RQ5 デジタルドメイン処理において、信号とその1階および2階微分のみを用いて、どの程度のキャンセレーション性能が達成できるか？

主な発見

• 屋内環境における自己干渉チャネルは、周波数ドメインで線形モデル H(f) = C₀ + C₁f として良好に近似可能である。
• 実験結果から、送信信号の微分成分が自己干渉に顕著な寄与をしていることが確認され、2階微分成分からのキャンセレーションは最大6 dBに達する。
• ベクトルモジュレータの固定位相および振幅分解能のため、アナログキャンセレーションは送信電力レベルにかかわらずほぼ一定である。
• デジタルキャンセレーションは送信電力が約5 dBmまで向上するが、その後、パワー増幅器の非線形性により性能が劣化する。
• 20 MHz帯域幅において、OFDMおよびシングルキャリア波形の両方で、合計で約75 dBのキャンセレーションが達成された。
• 提案手法により、パラメータ推定の複雑さが顕著に低減され、低消費電力でコンパクトな全デュプレックスデバイスへの実装が可能になった。