[論文レビュー] Analog Baseband Cancellation for Full-Duplex: An Experiment Driven Analysis

Brett A. Kaufman, J. Lilleberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2013

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、RFキャンセレーション後の残存自己干渉を低減することで、フルデュプレックス無線通信を向上させるアナログベースバンドキャンセレーション技術を提案する。4層パッチアンテナプロトタイプを用いて、ベースバンドモデルを導出し、受動的RF隔離とアナログベースバンドキャンセレーションを組み合わせることで、RFオンリーキャンセレーションに比べて最高で2.4 bps/Hzのスペクトル効率の向上と10⁴のBER改善が達成された。これは、狭帯域・高隔離型の手法を上回る性能を示した。

ABSTRACT

Recent wireless testbed implementations have proven that full-duplex communication is in fact possible and can outperform half-duplex systems. Many of these implementations modify existing half-duplex systems to operate in full-duplex. To realize the full potential of full-duplex, radios need to be designed with self-interference in mind. In our work, we use a novel patch antenna prototype in an experimental setup to characterize the self-interference channel between transmit and receive radios. We derive an equivalent analytical baseband model and propose analog baseband cancellation techniques to complement the RF cancellation provided by the patch antenna prototype. Our results show that a wide bandwidth, moderate isolation scheme achieves up to 2.4 bps/Hz higher achievable rate than a narrow bandwidth, high isolation scheme. Furthermore, the analog baseband cancellation yields a 10-10,000 improvement in BER over RF only cancellation.

研究の動機と目的

• フルデュプレックスシステムにおけるRFキャンセレーションを補完するアナログベースバンド自己干渉キャンセレーション技術の設計と評価を目的とする。
• 4層パッチアンテナプロトタイプを用いて、空中の実際の自己干渉チャネルを特徴付けることを目的とする。
• フルデュプレックス通信におけるワイドバンド・中程度隔離型の手法と狭帯域・高隔離型の手法を比較することを目的とする。
• ベースバンドキャンセレーションがビット誤り率（BER）および実現可能なスペクトル効率に与える影響を定量的に評価することを目的とする。
• 帯域幅、隔離度、キャンセレーション性能の間の最適なトレードオフを特定することで、将来のフルデュプレックスラジオ設計を支援することを目的とする。

提案手法

• 実験的フルデュプレックステストベッドを、4層パッチアンテナプロトタイプを用いて構築し、空中の実際の自己干渉チャネルを測定した。
• 測定されたRFデータから、自己干渉チャネルのベースバンド等価モデルを導出し、干渉信号の解析的表現を可能にした。
• 2種類のキャンセレーション方式を実装した：受動的RF隔離（PS）とアクティブRFキャンセレーション（AC）、両方ともアナログベースバンドキャンセレーション（B）と組み合わせた。
• ベースバンド段階でのチャネル推定を用いて、残存自己干渉と位相・振幅が一致するキャンセレーション信号を生成した。
• さまざまな信号電力と帯域幅において、BERおよび実現可能なレート指標を用いて、PS+BおよびAC+B方式の性能を評価した。
• スペクトル効率および干渉抑制性能を評価するために、ワイドバンド（10 MHz）の中程度隔離型と狭帯域（500 kHz）の高隔離型の手法を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アナログベースバンドキャンセレーションは、RFキャンセレーションのみに比べて、どのように残存自己干渉の抑制を向上させるか？
• RQ2 帯域幅と隔離度のレベルが、ハイブリッドRF-ベースバンドキャンセレーションを用いたフルデュプレックスシステムの性能に与える影響は何か？
• RQ3 受動的RF隔離とアナログベースバンドキャンセレーションの組み合わせは、ビット誤り率（BER）およびスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現実的なフルデュプレックス環境下で、ベースバンドキャンセレーションはRFオンリーキャンセレーションに比べてどの程度の実現レートの向上を達成できるか？
• RQ5 ワイドバンド・中程度隔離型と狭帯域・高隔離型のどちらの設計トレードオフが、より優れたフルデュプレックス性能を実現するか？

主な発見

• PS+B方式は、高信号対ノイズ比領域において、AC+B方式に比べて最高で2.4 bps/Hzの高い実現レートを達成した。
• アナログベースバンドキャンセレーションは、RFオンリーキャンセレーションに比べて、BERを10¹～10⁴倍まで低減した。特に受信電力が低い状態で最も顕著な改善が見られた。
• -50 dBmの受信電力条件下では、BERの改善が10⁴に達し、弱信号環境下での信頼性の向上が明確に示された。
• 2 MHzを超える帯域幅では、ワイドバンド・中程度隔離型の手法が、狭帯域・高隔離型の手法を上回った。これは、狭帯域RFキャンセレーションの有効性が低下するためである。
• 10 MHz帯域幅では、ベースバンドキャンセレーションと受動的RFを組み合わせた場合、8 dBの利得が得られた。一方、500 kHz帯域幅では、アクティブRFキャンセレーションと組み合わせた場合、13 dBの利得が得られた。
• PS+B方式は、全モード変調方式においてAC+B方式を常に上回り、QPSKと16-PSKの間の差が4 dBにまで縮まった。これは、通常の fading チャネルと比較して8～9 dBの差に比べて顕著な改善である。