[論文レビュー] Wideband Full-Duplex Wireless via Frequency-Domain Equalization: Design and Experimentation

Tingjun Chen, Mahmood Baraani Dastjerdi+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 38被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、周波数領域等化（FDE）を用いた広帯域全二重モード無線システムを提示し、20 MHz帯域幅で全体で95 dBの自己干渉キャンセレーション（SIC）を達成する。そのうち52 dBはRF SICによるもので、PCBベースのFDEキャンセラを用いる。この設計により、最適化に基づく設定方式を用いて高精度で適応可能なSICが実現され、SDRテストベッド実験で1.87倍の平均FDリンク利得を達成し、マルチノードネットワークにおいても堅牢な性能を示す。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) wireless can significantly enhance spectrum efficiency but requires tremendous amount of self-interference (SI) cancellation. Recent advances in the RFIC community enabled wideband RF SI cancellation (SIC) in integrated circuits (ICs) via frequency-domain equalization (FDE), where RF filters channelize the SI signal path. Unlike other FD implementations, that mostly rely on delay lines, FDE-based cancellers can be realized in small-form-factor devices. However, the fundamental limits and higher layer challenges associated with these cancellers were not explored yet. Therefore, and in order to support the integration with a software-defined radio (SDR) and to facilitate experimentation in a testbed with several nodes, we design and implement an FDE-based RF canceller on a printed circuit board (PCB). We derive and experimentally validate the PCB canceller model and present a canceller configuration scheme based on an optimization problem. We then extensively evaluate the performance of the FDE-based FD radio in the SDR testbed. Experiments show that it achieves 95dB overall SIC (52dB from RF SIC) across 20MHz bandwidth, and an average link-level FD gain of 1.87x. We also conduct experiments in: (i) uplink-downlink networks with inter-user interference, and (ii) heterogeneous networks with half-duplex and FD users. The experimental FD gains in the two types of networks confirm previous analytical results. They depend on the users' SNR values and the number of FD users, and are 1.14x-1.25x and 1.25x-1.73x, respectively. Finally, we numerically evaluate and compare the RFIC and PCB implementations and study various design tradeoffs.

研究の動機と目的

• 小型フォームファクタデバイス向けに、コンactな広帯域自己干渉キャンセレーション（SIC）を実現するフル二重モード（FD）無線システムの課題に対処すること。
• 実験的検証およびSDR統合を目的として、ICレベル性能を模倣するPCBベースのFDEキャンセラの設計および実装を行うこと。
• 実世界の時間変動環境における適応的RF SICを実現するための最適化に基づく設定方式を開発すること。
• SDRテストベッドを用いて、FDEベースのFDラジオのシステムレベル性能をノード、リンク、ネットワークのシナリオで評価すること。
• FDEベースのキャンセラのPCB実装とRFIC実装の間の性能と設計的トレードオフを比較すること。

提案手法

• RFICレベルのFDEベース自己干渉キャンセラを模倣するため、離散部品を用いたプリント回路基板（PCB）を用いたフル二重モードラジオを設計する。
• 周波数領域等化（FDE）を採用し、周波数選択性応答を模倣するため、調整可能で高品質因子の2次バンドパスフィルタ（BPF）を用いる。
• PCB BPFの実際の周波数応答を予測・検証するため、現実的なABCD行列ベースのモデルを構築する。
• 最大RF SICを達成するためのFDEタップ利得および位相の設定を最適化する問題（P2）を提案し、動的環境下での適応キャンセレーションを可能にする。
• NI USRP SDRとPCBキャンセラを統合し、マルチノードテストベッドでのリアルタイム実験を可能にする。
• キャンセラモデルを実験的に検証し、測定値およびシミュレーションデータを用いてRFIC実装と性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FDEベースのRFキャンセラをPCBに実装した場合、RFIC実装と同等の高精度で広帯域の自己干渉キャンセレーションを達成できるか？
• RQ2 実世界の時間変動環境でFDEベースキャンセラのRF SICを最大化するための最適な設定方式は何か？
• RQ3 FDEベースのFDラジオは、半二重モードシステムと比較して、リンクレベルおよびネットワークレベルの利得においてどの程度の性能を示すか？
• RQ4 SIC性能、面積、耐障害性の観点から、FDEベースキャンセラのPCB実装とRFIC実装の主な設計的トレードオフは何か？
• RQ5 FDEアプローチは、半二重モードと全二重モードユーザーが混合する異種ネットワークへのスケーラブルな展開をどの程度支援できるか？

主な発見

• FDEベースのPCBキャンセラは20 MHz帯域幅で全体で95 dBの自己干渉キャンセレーションを達成し、そのうち52 dBがRF SIC、43 dBがデジタルSICによるものである。
• 最適化された設定方式により、ヒューリスティック手法と比較してRF SICが10 dB向上し、最適化に基づく設計の有効性が示された。
• 制御された実験で平均リンクレベルFD利得が1.87倍に達し、スペクトル効率の顕著な向上が確認された。
• 上行リンク・下行リンクネットワークにおいてユーザー間干渉が存在する状況では、SNRおよびFDユーザー数に応じてFD利得は1.14倍から1.25倍の範囲を示した。
• 半二重モードと全二重モードユーザーが混合する異種ネットワークでは、FD利得は1.25倍から1.73倍の範囲を示し、解析的予測と整合的であった。
• PCB実装はRFIC実装とほぼ同等の性能を示し、同程度のSICレベルを達成しており、より高い耐障害性とテストベッド統合の可能性を有している。