[論文レビュー] Adaptive Self-Interference Cancellation for Full-Duplex Wireless Communication Systems

Elyes Balti, Brian L. Evans|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2021

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、全デュプレックス（FD）リレーシステムにおける自己干渉（SI）キャンセレーションのための適応型最小平均二乗（LMS）アルゴリズムを提案する。訓練パイロットを用いてSIチャネルを推定し、A/Dコンバータ（ADC）の前段で推定された干渉を差し引く。この手法は30 dB SNRでBER 1e-4を達成し、スペクトル効率を約7ビット/秒/Hz回復する。100〜1000倍強いSI信号からの残留干渉が存在するが、性能は顕著に向上している。

ABSTRACT

In this letter, we consider single-cell, single-user systems wherein uplink and downlink user equipment communicate with a full-duplex relay. Due to the near-far problem, the self-interference (SI) can be 100-1000x the received signal power. In this context, we consider the adaptive Least Mean Squares (LMS) algorithm to estimate the SI channel and then subtract the SI from the desired received signal before the analog-to-digital converter (ADC). We measure the robustness of this technique in terms of bit error rate (BER) and spectral efficiency.

研究の動機と目的

• 全デュプレックス（FD）リレーシステムにおける深刻な自己干渉（SI）に対処すること。SI電力は、近端問題のため、所望の信号より100〜1000倍も強い場合がある。
• アナログ・デジタルコンバータ（ADC）の前段で強いループバックSIをキャンセルすることで、FDシステムにおける信頼性の高いアップリンク受信を可能にすること。
• 現実的なチャネル条件下で、適応型LMSベースのSIキャンセレーションの性能を、ビット誤り率（BER）およびスペクトル効率の観点から評価すること。
• 適応型LMSが、SIをノイズフロア以下に効果的に低減できることを示し、シングルセル・シングルユーザー環境における実用的なFD通信を可能にすること。

提案手法

• OFDMにサイクリックプレフィックスを適用し、QPSK変調のパイロットシンボルを用いてSIチャネル推定を実施する。
• 適応型LMSアルゴリズムは、実際の干渉と推定干渉の平均二乗誤差を最小化することで、SIチャネルインパルス応答を推定する。
• 推定されたSI信号をダウンリンクデータと畳み込み、ADC変換の前段でアップリンク受信信号から差し引く。
• SIチャネルを有限インパルス応答（FIR）フィルタでモデル化し、重みの更新に勾配降下法を用いる。
• 1フレームあたり100イテレーションを実行し、ステップサイズα = 0.125として安定なSI推定に収束させる。
• モンテカルロシミュレーションを用いて性能を評価し、10^5フレーム分のシミュレーションを実施。LDPC符号化と非符号化BER比較を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応型LMSは、全デュプレックスリレーシステムにおいて、強力な自己干渉（SIR = -60 dB）を効果的に推定・キャンセルできるか？
• RQ2 LMSベースのSIキャンセレーションは、非符号化および干渉なしのベンチマークと比較して、ビット誤り率（BER）およびスペクトル効率をどの程度改善するか？
• RQ3 キャンセレーション後、どの程度の残留干渉が残り、それがシステム性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 高いSI電力が存在するにもかかわらず、提案手法がスペクトル効率の観点でほぼ干渉なしの性能を達成できるか？

主な発見

• 適応型LMSアルゴリズムは、自己干渉キャンセレーション後に30 dB SNRでビット誤り率（BER）1×10⁻⁴を達成し、干渉なしシステムの性能をよく追従する。
• SIキャンセレーションなしでは、SIRが-60 dBのためBERは約0.25に高く、SNRに依存せず平坦に保たれ、システムの飽和状態にあることが示された。
• 提案手法により、約7ビット/秒/Hzのスペクトル効率が回復され、強い自己干渉によるレート損失を補償している。
• 残留自己干渉が存在し、キャンセレーション済みと干渉なしのLDPC符号化BER曲線のわずかなSNRギャップとして顕在化している。
• 複素ガウス分布およびRician fadingチャネルを想定した現実的なシングルセル・シングルユーザーFDリレー環境において、本手法は高いロバスト性を示した。
• レート1/2のLDPC符号化と無限分解能ADCを用いることで、量子化や符号化による性能制限が生じないことが保証された。