[論文レビュー] Spatial Self-Interference Isolation for In-Band Full-Duplex Wireless: A Degrees-of-Freedom Analysis

Evan Everett, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、アンテナ理論に基づくチャネルモデルを用いて、インバンドフルデュプレックス無線システムにおける空間的自己干渉隔離を分析し、受信ユーザー向けの散乱体の方位拡散が基地局に戻る散乱体のものと重複しない場合に限り、空間的隔離が時分割デュプレックス（TDD）を上回ることを示している。主な貢献は、散乱体の幾何配置が干渉の重複を防ぐ場合に限り空間的隔離が有効であることを示す自由度解析である。

ABSTRACT

The challenge to in-band full-duplex wireless communication is managing self-interference. Many designs have employed spatial isolation mechanisms, such as shielding or multi-antenna beamforming, to isolate the self-interference wave from the receiver. Such spatial isolation methods are effective, but by confining the transmit and receive signals to a subset of the available space, the full spatial resources of the channel be under-utilized, expending a cost that may nullify the net benefit of operating in full-duplex mode. In this paper we leverage an antenna-theory-based channel model to analyze the spatial degrees of freedom available to a full-duplex capable base station, and observe that whether or not spatial isolation out-performs time-division (i.e. half-duplex) depends heavily on the geometric distribution of scatterers. Unless the angular spread of the objects that scatter to the intended users is overlapped by the spread of objects that backscatter to the base station, then spatial isolation outperforms time division, otherwise time division may be optimal.

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空間的自己干渉隔離が、時分割デュプレックス（TDD）よりもスペクトル効率の向上をもたらすかどうかを分析すること。
• フルデュプレックス基地局における空間的隔離技術の有効性に及ぼす散乱体の幾何配置の影響を調査すること。
• 異なる散乱体分布下でのフルデュプレックス基地局が利用可能な空間的自由度を定量化すること。
• 空間的隔離がTDDを上回る幾何的条件を特定すること。
• マッシブMIMOおよびフルデュプレックスシステムにおける空間的隔離と空間多重性の間のトレードオフを形式化すること。

提案手法

• フルデュプレックス基地局およびその自己干渉チャネルを表現するために、アンテナ理論に基づく物理的チャネルモデルを用いる。
• フルデュプレックス運用下でのシステムの空間多重性能力を評価するために、自由度解析を適用する。
• 自己干渉チャネルを閉じた範囲を持つ線形演算子としてモデル化し、モア・ペンローズ一般逆行列および直交分解を用いることを可能にする。
• 信号空間をチャネルの零空間と信号部分空間の前像に分解し、前像の次元を導出する。
• 主要結果を導出：前像空間の自由度は、零空間次元と信号部分空間がチャネル範囲と重なる部分の次元の和に等しい。
• 直交射影および一般逆行列の性質を含む線形代数的手法を用いて、主な理論的結果を証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような幾何的条件下で、フルデュプレックスシステムにおける空間的自己干渉隔離が時分割デュプレックス（TDD）を上回るか？
• RQ2 受信ユーザーに影響する散乱体の方位拡散と、基地局に戻るバックスキャッタリングに影響するものとの比較は？
• RQ3 異なる散乱体配置下で、フルデュプレックス基地局が利用可能な空間的自由度の最大数は何か？
• RQ4 空間的隔離技術が、多重性に使用可能な空間リソースを消費する場合、ネットスペクトル効率の向上を達成できるか？
• RQ5 フルデュプレックスシステムにおいて、チャネルの零空間と信号部分空間の前像との理論的関係は何か？

主な発見

• 空間的自己干渉隔離が時分割デュプレックス（TDD）を上回るのは、受信ユーザー向けの散乱体の方位拡散が、基地局に戻る散乱体のものと重複しない場合に限る。
• 受信ユーザー向けの散乱体と自己干渉パスの方位拡散が重複する場合、空間的隔離によるリソース消費のため、時分割デュプレックス（TDD）が最適となる可能性がある。
• フルデュプレックス基地局が利用可能な自由度は、零空間次元と、信号部分空間がチャネル範囲と重なる部分の次元の和によって決定される。
• 理論的枠組みにより、チャネル作用素下での信号部分空間の前像の次元が、零空間次元とチャネル範囲内での信号部分空間の次元の和に等しいことが証明された。
• 分析結果から、直接パス干渉の抑制に有効である空間的隔離技術は、空間リソースが限られる環境では、限界に達する可能性がある。
• 結果から、バックスキャッタリング環境では、直接パスおよび多径自己干渉を効果的に抑制するため、チャネル状態に応じたビームフォーミングが不可欠であると示唆される。