[論文レビュー] Measurement-driven Evaluation of All-digital Many-antenna Full-duplex Communication.

Evan Everett, Clayton Shepard+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、自己干渉を抑制するためのデジタル送信ビームフォーミングを実施し、残存干渉をデジタルキャンセレーションすることで、自己干渉を効果的に管理する、すべてデジタルのフルデュプレックス手法であるSoftNullを提案する。72要素のアレイを用いた評価において、自己干渉を効率的に管理し、同時送受信を可能にすることで、多数アンテナを備えた小型セル環境において、ハーフデュプレックスを著しく上回る性能を発揮した。

ABSTRACT

In this paper, we present and study an all-digital method, called \softNull, to enable full-duplex in many-antenna systems. Unlike most designs that rely on analog cancelers to suppress self-interference, SoftNull relies on digital transmit beamforming to reduce self-interference. SoftNull does not attempt to perfectly null self-interference, but instead seeks to reduce self-interference sufficiently to prevent swamping the receiver's dynamic range. Residual self-interference is then cancelled digitally by the receiver. We evaluate the performance of SoftNull using measurements from a 72-element antenna array in both indoor and outdoor environments. We find that SoftNull can significantly outperform half-duplex for small cells operating in the many-antenna regime, where the number of antennas is many more than the number of users served simultaneously.

研究の動機と目的

• フルデュプレックス多数アンテナシステムにおける自己干渉の課題に取り組むこと、特に高密度ユーザーを有する小型セル環境を想定する。
• 大規模アンテナアレイにおいて複雑で面積を食うアナログキャンセラ依存を排除すること。
• 自己干渉をデジタル処理で管理可能なレベルまで低減できる、スケーラブルなすべてデジタルのソリューションを開発すること。
• 提案手法の性能を現実の屋内および屋外伝搬環境において評価すること。
• 自己干渉が効果的に管理される場合、多数アンテナシステムにおけるフルデュプレックス動作がハーフデュプレックスを上回るスペクトル効率を達成できることを示すこと。

提案手法

• SoftNullは、自己干渉電力が受信アレイで最小限に抑えるように放射パターンを形成するデジタル送信ビームフォーミングを採用する。
• 完全なナリングではなく、受信機のダイナミックレンジの飽和を防ぐために十分な自己干渉抑制を目的とする。
• 残存自己干渉は、アダプティブフィルタリング技術を用いてベースバンド受信機でデジタルキャンセレーションされる。
• アナログキャンセラーや複雑なRFキャリブレーションを必要とせず、完全にデジタルドメインで実装される。
• 屋内および屋外環境の両方で、72要素のマスティブ MIMO アレイからの実測チャネル測定を用いてシステムを評価する。
• 同一条件下でのハーフデュプレックス動作と比較して、スペクトル効率およびユーザースループットを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アナログキャンセレーションを用いずに、すべてデジタルのビームフォーミングアプローチが、多数アンテナフルデュプレックスシステムにおける自己干渉を効果的に抑制できるか？
• RQ2 高アンテナ密度アレイを有する小型セル環境において、SoftNullの性能はハーフデュプレックス動作と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 デジタルビームフォーミングが自己干渉をどの程度低減できるか、残存干渉がデジタルキャンセレーションで処理可能になるレベルまで低減できるか？
• RQ4 屋内および屋外の多様な伝搬環境において、システムはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 SoftNullを用いた多数アンテナ構成において、フルデュプレックスがハーフデュプレックスを上回る実現可能なスペクトル効率の向上はどの程度か？

主な発見

• SoftNullは、受信機のダイナミックレンジが飽和しないレベルまで自己干渉を低減し、信頼性の高いフルデュプレックス動作を可能にした。
• 屋内および屋外環境の両方において、小型セル環境でハーフデュプレックス動作を著しく上回るスペクトル効率の向上を達成した。
• アンテナ数が同時に通信するユーザー数を大幅に上回る多数アンテナアレイを有する状況では、SoftNullはハーフデュプレックスを上回る性能を示した。
• デジタルビームフォーミング後の残存自己干渉は、デジタル信号処理により効果的にキャンセレーションされ、ハイブリッドアプローチの実現可能性が裏付けられた。
• すべてデジタルの実装により、アナログキャンセラのハードウェア複雑性とキャリブレーションの課題を回避し、スケーラビリティを実現した。
• 72要素アレイからの測定結果は、SoftNullが現実の伝搬条件においても堅牢で高い性能を発揮することを検証した。