[論文レビュー] Feasibility of In-band Full-Duplex Radio Transceivers with Imperfect RF Components: Analysis and Enhanced Cancellation Algorithms

Dani Korpi, Lauri Anttila+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2014

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、インバンド・フルデュプレックス無線変調器向けに、IQ不整合とパワー増幅器由来の非線形性を明示的にモデル化・抑制する、画期的な共同拡張非線形デジタル自己干渉キャンセラを提案する。波形シミュレーションを包括的に行い、従来の線形およびワイドリニアキャンセレーション手法と比較して、本手法が高送信電力下でも顕著に優れた性能を示し、近似的にSINRフリーに近い性能を達成している。送信機由来の熱雑音が、以前は軽視されていたが、重要な障害要因であることが特定された。

ABSTRACT

In this paper we provide an overview regarding the feasibility of in-band full-duplex transceivers under imperfect RF components. We utilize results and findings from the recent research on full-duplex communications, while introducing also transmitter-induced thermal noise into the analysis. This means that the model of the RF impairments used in this paper is the most comprehensive thus far. By assuming realistic parameter values for the different transceiver components, it is shown that IQ imaging and transmitter-induced nonlinearities are the most significant sources of distortion in in-band full-duplex transceivers, in addition to linear self-interference. Motivated by this, we propose a novel augmented nonlinear digital self-interference canceller that is able to model and hence suppress all the essential transmitter imperfections jointly. This is also verified and demonstrated by extensive waveform simulations.

研究の動機と目的

• 実際のRF障害（特にこれまで軽視されてきた送信機由来の熱雑音を含む）を考慮したインバンド・フルデュプレックス変調器の実現可能性を分析すること。
• 実用的フルデュプレックスシステムにおける最も重要な歪み成分を同定すること、特にIQイメージングとパワー増幅器非線形性に焦点を当てる。
• 複数の非線形およびI/Q障害を同時に抑制できる、画期的なデジタルキャンセレーションアルゴリズムの開発と評価を行うこと。
• 測定済みチャネルパラメータと実用的部品モデルを用いた、現実的な波形シミュレーションによる包括的性能評価を提供すること。

提案手法

• 著者らは、IQ不整合、パワー増幅器（PA）非線形性、および送信機由来の熱雑音を含む、現実的なRF障害を組み込んだフルデュプレックス変調器チェーンをモデル化した。
• 広く線形構造を用いた有効な非線形フィルタリングを組み込んだ、ワイドリニア構造に基づく新しい拡張非線形デジタル自己干渉キャンセラを提案し、IQ不整合とPA由来非線形歪みを同時にモデル化・キャンセルする。
• 時間領域フィルタ構造を用いてキャンセレーションアルゴリズムを実装し、5次までのメモリ多項式モデルを採用し、線形および非線形成分を統合した。
• シミュレーションには、64サブキャリア、48データサブキャリア、12.5 MHz帯域幅の16-QAM OFDM波形を用い、キャリブレーション中に10,000サンプルから得たチャネル推定値を用いた。
• 同一条件下で、本手法の共同キャンセラの性能を、ワイドリニア、非線形、および従来の線形キャンセレーション手法と比較した。
• 自己干渉チャネルのKファクタは、実測値に基づき35.8 dBに設定され、RFキャンセレーションロスは30 dBと仮定され、現実のハードウェア制約を反映した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実の部品非理想性を考慮した場合、インバンド・フルデュプレックス変調器の性能を制限する主なRF障害は何であるか？
• RQ2 送信機由来の熱雑音は、フルデュプレックスシステムにおける達成可能なSINRにどのように影響を与え、なぜ過去の研究ではしばしば軽視されてきた重要な要因であるのか？
• RQ3 1つのデジタルキャンセレーションアルゴリズムが、同時にIQ不整合とパワー増幅器非線形性を効果的に抑制できるか。また、別個処理や線形手法と比較して、その性能はいかがなものか？
• RQ4 非線形歪みとI/Q不整合は、高送信電力下でのワイドリニアキャンセレーション手法の性能をどの程度制限するか？
• RQ5 非線形およびI/Q障害を同時にモデル化する共同キャンセレーション方式の達成可能なSINR性能はどの程度か。理想的な干渉なし状態にどの程度近づけるか？

主な発見

• 提案された共同拡張非線形キャンセラは、送信電力が15 dBm未満では、理想的に近いSINR性能（15 dB）を達成し、ワイドリニアおよび従来の線形キャンセレーション手法を上回る。
• 送信電力が15 dBmを超えると、ワイドリニアキャンセレーションではPA由来非線形性が性能の主な制限要因となるが、低電力域では優れた性能を示す。
• 従来の線形キャンセレーションは、最低送信電力でも15 dB SINRに達しない一方、非線形キャンセレーションは線形手法に比べて僅かな改善にとどまる。
• IQ不整合とPA非線形性は、30 dBのRFキャンセレーション下でも、干渉の主な原因たる共役自己干渉を引き起こす2大歪み成分として特定された。
• 送信機由来の熱雑音は、従来は軽視されていたが、フルデュプレックスシステムの最終的性能限界を制限する重要な障害要因であることが示された。
• 共同キャンセラは残存干渉を顕著に低減し、現実のハードウェア制約下での実用的フルデュプレックス実装において、最も効果的なアプローチである。