[論文レビュー] Full Duplex Networking: Mission Impossible?

Shuangfeng Han, I Chih‐Lin+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2014

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、5Gにおける急増するモバイルトラフィック需要に対応するため、全二重（FD）ネットワーキングを検討し、干渉低減技術、TDD/FDDハイブリッドフレーム構造、およびスーパー全二重ベースステーションを提案することで、同じ周波数帯で同時に上行リンク／下行リンク通信を実現する。本研究では、高度な干渉キャンセリングとチャネル対称性回復を組み合わせることで、FDがスペクトル効率とシステム性能を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

Mobile traffic is projected to increase 1000 times from 2010 to 2020. This poses significant challenges on the 5th generation (5G) wireless communication system design, including network structure, air interface, key transmission schemes, multiple access, and duplexing schemes. In this paper, full duplex networking issues are discussed, aiming to provide some insights on the design and possible future deployment for 5G. Particularly, the interference scenarios in full duplex are analyzed, followed by discussions on several candidate interference mitigation approaches, interference proof frame structures, transceiver structures for channel reciprocity recovery, and super full duplex base station where each sector operates in time division duplex (TDD) mode. The extension of TDD and frequency division duplex (FDD) to full duplex is also examined. It is anticipated that with future standardization and deployment of full duplex systems, TDD and FDD will be harmoniously integrated, supporting all the existing half duplex mobile phones efficiently, and leading to a substantially enhanced 5G system performance.

研究の動機と目的

• 2010年から2020年までの間、急増が予想されるモバイルトラフィックの増加に対応するため、画期的な5Gネットワークソリューションを提供すること。
• 同じ周波数帯で同時に送信と受信を可能にするために、半二重通信の根本的制限を克服すること。
• 全二重システムにおける干渉状況を分析し、実世界での展開に適した実用的対策を提案すること。
• TDDおよびFDDモードを統合した統一された全二重フレームワークを構築し、既存の半二重デバイスとの後方互換性を確保すること。
• チャネル対称性を保持し、効率的な全二重動作を可能にする受信機アーキテクチャを設計すること。

提案手法

• 全二重システムにおける干渉状況（自己干渉および他ユーザー干渉）を分析する。
• 自己干渉を低減し、通信品質を維持するための候補となる干渉低減手法を提案する。
• 全二重モードでTDDおよびFDDを同時にサポートできる、干渉に強いフレーム構造を設計する。
• 整合的送受信に不可欠なチャネル対称性回復を実現するための受信機構造を開発する。
• 各セクタがTDDモードで動作するが、複数ビームにわたる全二重動作を可能にする「スーパー全二重ベースステーション」の概念を導入する。
• TDDおよびFDDの原則を全二重に拡張し、5Gシステムにおけるシームレスな統合を可能にするために、両者の動作を調和させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、全二重無線ネットワークにおける自己干渉および他ユーザー干渉を効果的に低減できるか？
• RQ2 どのようなフレーム構造設計が、全二重システムにおけるTDDおよびFDDの効率的共存を可能にするか？
• RQ3 全二重受信機アーキテクチャにおいて、チャネル対称性をどのように保持・回復できるか？
• RQ4 セクタレベルのTDD動作を実装するスーパー全二重ベースステーションを実現するために、どのようなアーキテクチャ的変更が必要か？
• RQ5 TDDおよびFDDをどのように調和させることで、既存の半二重モバイルデバイスをサポートできるか？

主な発見

• 自己干渉低減技術を効果的に組み合わせることで、全二重ネットワーキングは5Gネットワークにおけるスペクトル効率とシステム性能を顕著に向上させられる。
• 自己干渉の低減は、信頼性の高い同時に送受信を実現するために不可欠である。
• 干渉に強く、TDDおよびFDDモードを両方ともサポートするフレーム構造を設計できる。
• チャネル対称性を回復する受信機構造は、正確なチャネル状態推定を可能にし、通信品質の向上を実現する。
• スーパー全二重ベースステーションの概念により、各セクタがTDDモードで動作しながらも、複数ビームにわたる全二重動作を実現できる。
• 将来的な標準化によって、TDDおよびFDDを全二重で調和させることで、既存の半二重モバイルデバイスとの後方互換性を実現できる。