[論文レビュー] Full Duplex Integrated Access and Backhaul for 5G NR: Analyses and Prototype Measurements

Gee Yong Suk, Soo-Min Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、同じ周波数で同時に上行リンクと下行リンクの送信を可能にすることでスペクトル効率を向上させるとともにバックハールコストを低減するため、5G NRにおけるフルデュプレックス統合アクセスおよびバックハール（FD IAB）を提案する。28 GHzで方向性アローラントとハードウェアプロトタイプ測定を用いて、最大82.18 dBの自己干渉抑制を達成し、FD IABが将来の5Gネットワークにおける実現可能で高性能なソリューションであることを検証した。

ABSTRACT

Integrated access and backhaul (IAB) frameworks for 5G new radio (NR) as a cost-effective alternative to the wired backhaul have been investigated by 3GPP. A promising solution for this framework is the integration of full duplex (FD) technologies to enhance the spectral efficiency and make an efficient use of the network resources-termed FD IAB. However, FD IAB presents significant technical challenges, such as self-interference (SI) in the IAB framework, which may cast doubt over the feasibility of FD IAB. In this article, we present a brief tutorial of the FD IAB framework and its enabling technologies. We then numerically evaluate and discuss the link-level SI reduction and the system-level downlink throughput performance of the FD IAB. Finally, we validate the feasibility of FD IAB using 28 GHz hardware prototype measurements of propagation-domain SI suppression. Our numerical evaluations and prototype measurements confirm that the FD IAB serves as a promising framework for 5G NR.

研究の動機と目的

• 密な5G NRネットワークにおけるファイバーバックハールの高コスト（CAPEX/OPEX）を解消するため、統合アクセスおよびバックハール（IAB）を用いたコスト効率の高い代替手法を提案すること。
• フルデュプレックス（FD）IABシステムにおける自己干渉（SI）の深刻な課題に取り組み、性能と実現可能性を脅かす要因を克服すること。
• 現実的な5G NRシナリオにおけるFD IABのリンクレベルでの自己干渉低減およびシステムレベルでの下行リンクスループット性能を評価すること。
• 28 GHzでのハードウェアプロトタイプ測定を通じて、FD IABの実現可能性を検証すること。特に伝搬領域におけるSI抑制に焦点を当てる。
• 方向性ビームフォーミングとアレイントアンテナの分離が、実用的導入に十分なSI抑制を達成できることを示すこと。

提案手法

• 14ビットDACおよび12ビットADCを用いたベースバンド処理のための単一アンテナRFチェーンを搭載した28 GHzフルデュプレックスIABノードプロトタイプを設計・実装する。
• 高利得レンズアンテナ（19.86 dBi、ビーム幅13.4°）を採用し、空間的分離による干渉抑制を強化する。
• アンテナ間隔（0.1 m〜2 m）および相対アザリス角を変化させた状態で、自己干渉電力のハードウェア測定を実施する。
• ドナー機器（DU）とモバイル端末（MT）間の同期通信を用い、受信信号強度を自己干渉の代理指標として測定する。
• アナログビームフォーミングを適用し、送信エネルギーを集中させ、受信パスへの漏れを低減する。
• 測定結果とシミュレーション結果を比較し、金属杭などの反射体や吸収体を含む環境要因の違いを認識する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルデュプレックス統合アクセスおよびバックハール（FD IAB）は、半デュプレックスIABと比較して、5G NRにおいてスペクトル効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 アンテナ間隔と高指向性を用いることで、28 GHz FD IABシステムにおける自己干渉はどの程度抑制可能か？
• RQ3 28 GHzでの測定された自己干渉抑制性能は、sub-6 GHz帯での先行研究と比較してどうなるか？
• RQ4 現実的なシステムレベルのシナリオにおいて、FD IABの実現可能な下行リンクスループット性能はどの程度か？
• RQ5 ハードウェアプロトタイプ測定により、FD IABが実用的な5G NR展開に適していることが確認できるか？

主な発見

• アンテナ間隔0.1 mで、方向性アンテナとパスロスのみを用いて平均82.18 dBの自己干渉抑制を達成した。
• 1 mの間隔では測定値が97.26 dB、2 mでは100.125 dBに達し、距離とパスロスの影響が顕著に現れた。
• 0.5 mの間隔で吸収シールドとクロスポーラライズドアンテナを用いた28 GHzプロトタイプは、73.8 dBの抑制を達成し、先行する2.4 GHz測定を上回った。
• 測定された抑制性能は、mmWave FD IABシステムにおける伝搬領域でのSI低減が実現可能であることを裏付けた。
• 数値的評価により、FD IABは密な5G NR展開においてHD IABよりも高いスペクトル効率と下行リンクスループットを達成できることを示した。
• 本研究は、自己干渉が空間的およびハードウェア的手法により効果的に抑制される限り、FD IABが将来の5G NRにとって実現可能で有望なソリューションであることを確認した。