[논문 리뷰] A Linearization Technique for Self-Interference Cancellation in Full-Duplex Radios

Arjun Nadh, Joseph Samuel외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 04.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 17인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전체 이중성 라디오에서 자기간섭(SI)을 전송 신호와 그 일阶 도함수의 선형 조합으로 모델링하는 선형화 기법을 제안한다. 이로 인해 SI 채널 추정 문제는 단지 두 개의 파rameter(C₀ 및 C₁)로 축소되며, 실험적 검증을 통해 실내 환경에서 고정밀도, 저복잡도의 SI 제거를 실현한다. 최대 75 dB의 제거 성능을 달성하여 최종 사용자 장치용 작고 효율적인 전체 이중성 트랜시iever를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The fundamental problem in the design of a full-duplex radio is the cancellation of the self-interference (SI) signal generated by the transmitter.Current techniques for suppressing SI rely on generating a copy of the SI signal and subtracting it partly in the RF (radio frequency) and digital domains. A critical step in replicating the self-interference is the estimation of the multi-path channel through which the transmitted signal propagates to the antenna. Since there is no prior model on the number of multipath reflections, current techniques assume a tap delay line filter (in the RF and digital domain) with a large number of taps, and estimate the taps in the analog and the digital domain. Assuming such a model leads to a large form-factor for the analog and RF circuits and increased complexity in the digital domain. In this paper, using a linearization technique, we show that the self-interference channel in an indoor environment can be effectively modelled as $H(f)=C_0 + C_1f$ in the frequency domain. Thus, the effective self-interference channel can be represented by two parameters $C_0$ and $C_1$, irrespective of the multipath environment. We also provide experimental evidence to verify the above channel model and propose novel low-complexity designs for self-interference cancellation. Linearization not only aids in the practicality of analog cancellation by reducing the form factor, but also results in a simpler SI filter model in the digital domain due to dimensionality reduction of the channel parameters. Therefore this method can enable the widespread adoption of full-duplex techniques to portable devices in addition to infrastructure base-stations.

연구 동기 및 목표

• 전체 이중성 라디오에서 고차원적이고 시간에 따라 변하는 다중 경로 자기간섭 문제를 해결한다.
• 기존의 탭-디레이 라인 모델에서 알려지지 않은 수의 탭을 추정하는 데서 비롯하는 복잡성을 해결한다.
• 작은 장치에 적합한 저복잡도이자 확장 가능한 자기간섭 제거 아키텍처를 개발한다.
• 실내 환경에서 자기간섭 채널이 주파수 도메인에서 H(f) = C₀ + C₁f로 정확히 모델링될 수 있음을 검증한다.
• 파rameter 수를 줄여 RF 및 디지털 도메인의 제거를 단순화함으로써 실용적인 전체 이중성 운영을 가능하게 한다.

제안 방법

• 테일러 급수 근사법을 사용하여 주파수 도메인에서 자기간섭 채널을 선형 함수 H(f) = C₀ + C₁f로 모델링한다.
• 이 선형 모델을 통해 다중 경로의 빈도에 관계없이 오직 두 개의 파rameter(C₀ 및 C₁)로 효과적인 SI 채널을 표현한다.
• 벡터 모듈레이터를 사용하여 기저대역 신호와 그 도함수 성분을 제거하는 아날로그 제거를 구현한다.
• 알려진 전송 신호와 그 도함수(x(nT), x′(nT), x′′(nT))를 사용하여 기저대역 도메인에서 디지털 제거를 적용한다.
• 샘플링 단계 오프셋 δ가 작기 때문에, I(nT+δ)를 x(nT), x′(nT), 및 x′′(nT)를 사용해 근사할 수 있다.
• 아날로그 및 디지털 제거 단계를 조합하여 자기간섭의 신호 및 도함수 성분을 모두 억제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 전체 이중성 환경에서 자기간섭 채널을 오직 두 개의 파rameter로 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 자기간섭 채널에 대한 선형 근사(H(f) = C₀ + C₁f)가 실제 다중 경로 전파를 정확히 표현하는가?
• RQ3 전송 신호의 도함수 성분이 제거 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 기존의 다중 탭 딜레이 라인 모델에 비해 이 제안된 선형화 기법은 추정 복잡도를 얼마나 줄이는가?
• RQ5 디지털 도메인 처리에서 신호 자체와 그 일阶 및 이阶 도함수만을 사용할 경우, 어떤 수준의 제거 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실내 환경에서 자기간섭 채널은 주파수 도메인에서 선형 모델 H(f) = C₀ + C₁f로 잘 근사된다.
• 실험 결과는 전송 신호의 도함수 성분이 자기간섭에 크게 기여하며, 이차 도함수로부터 최대 6 dB의 제거 성능 향상이 가능함을 확인한다.
• 벡터 모듈레이터의 고정된 위상 및 진폭 해상도 덕분에 아날로그 제거 성능은 전송 전력 수준에 관계없이 거의 일정하다.
• 디지털 제거 성능은 전송 전력이 약 5 dBm까지 증가함에 따라 향상되나, 파wer 앰프의 비선형성으로 인해 이후에는 악화된다.
• 20 MHz 대역폭에서 OFDM 및 싱글-carrier 웨이브폼 모두에 대해 약 75 dB의 총 제거 성능을 달성한다.
• 제안된 방법은 파rameter 추정 복잡도를 상당히 줄여주며, 저전력 및 소형 전체 이중성 장치에 실현 가능하게 한다.