[논문 리뷰] Adaptive Self-Interference Cancellation for Full-Duplex Wireless Communication Systems

Elyes Balti, Brian L. Evans|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 03.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 전체 이중성(FD) 릴레이에서 자기 간섭(SI)을 제거하기 위해 적응형 최소 평균 제곱(LMS) 알고리즘을 제안한다. 훈련용 피LOT을 사용해 SI 채널을 추정하고, ADC 이전에 추정된 간섭을 제거한다. 이 방법은 30 dB 신호 대 잡음비(SNR)에서 BER 1e-4를 달성하며, 스펙트럼 효율을 약 7 비트/s/Hz 복구한다. 이는 100~1000배 강한 SI 신호로부터 잔류 간섭이 존재함에도 불구하고 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this letter, we consider single-cell, single-user systems wherein uplink and downlink user equipment communicate with a full-duplex relay. Due to the near-far problem, the self-interference (SI) can be 100-1000x the received signal power. In this context, we consider the adaptive Least Mean Squares (LMS) algorithm to estimate the SI channel and then subtract the SI from the desired received signal before the analog-to-digital converter (ADC). We measure the robustness of this technique in terms of bit error rate (BER) and spectral efficiency.

연구 동기 및 목표

• 자신의 신호보다 100~1000배 강한 자기 간섭(SI)이 발생하는 전체 이중성(FD) 릴레이에서의 심각한 SI 문제를 해결하기 위해.
• 아날로그-디지털 변환기(ADC) 이전에 강력한 루프백 SI를 제거하여 FD 시스템에서의 신뢰성 있는 업링크 수신을 가능하게 하기 위해.
• 실제 채널 조건 하에서 비트 오류율(BER)과 스펙트럼 효율 측면에서 적응형 LMS 기반 SI 제거 성능을 평가하기 위해.
• 적응형 LMS가 실제로 SI를 잡음 수준 이하로 효과적으로 감소시켜 단일 세포, 단일 사용자 환경에서 실용적인 FD 통신을 가능하게 할 수 있는지 보여주기 위해.

제안 방법

• OFDM에 순환 접두사와 QPSK 변조 피LOT 기반의 훈련을 사용해 SI 채널 추정을 수행한다.
• 실제 간섭과 추정 간섭 간 평균 제곱 오차를 최소화함으로써 적응형 LMS 알고리즘이 SI 채널 인력 응답을 추정한다.
• 추정된 SI 신호를 다운링크 데이터와 컨볼루션 처리한 후, ADC 변환 이전에 업링크 수신 신호에서 빼낸다.
• SI 채널을 모델링하기 위해 L 탭을 가진 유한 임펄스 응답(FIR) 필터를 사용하며, 가중치 적응에는 가장 급강하 방법을 적용한다.
• 프레임당 100회 반복되며, 스텝 사이즈 α = 0.125로 설정하여 안정된 SI 추정치에 수렴하도록 한다.
• LDPC 코딩과 비코딩 BER 비교를 통해 몬테카를로 시뮬레이션(10^5 프레임)을 통해 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적응형 LMS는 전체 이중성 릴레이 시스템에서 강력한 자기 간섭(SIR = -60 dB)을 효과적으로 추정하고 제거할 수 있는가?
• RQ2 비코딩 및 간섭 없는 기준 대비 LMS 기반 SI 제거가 비트 오류율(BER)과 스펙트럼 효율에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 제거 후 잔류 간섭은 얼마나 남아 있으며, 이는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 높은 SI 전력에도 불구하고 제안된 방법이 스펙트럼 효율 측면에서 거의 간섭 없는 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 적응형 LMS 알고리즘은 자기 간섭 제거 후 30 dB 신호 대 잡음비(SNR)에서 비트 오류율(BER) 1×10⁻⁴를 달성하며, 간섭 없는 시스템의 성능을 거의 정확히 따라간다.
• SI 제거 없이 시스템은 SIR가 -60 dB이므로 BER이 약 0.25로 높고 SNR에 관계없이 수평선을 이룬다. 이는 시스템 포화 상태임을 시사한다.
• 제안된 방법은 약 7 비트/s/Hz의 스펙트럼 효율을 복구하여 강력한 자기 간섭으로 인한 전송률 손실을 상쇄한다.
• 잔류 자기 간섭이 존재하며, 이는 제거된 상태와 간섭 없는 LDPC 코딩 BER 곡선 사이의 작은 SNR 갭으로 나타난다.
• 복잡한 가우시안 및 라이케이 페이딩 채널 조건을 고려한 현실적인 단일 세포, 단일 사용자 FD 릴레이 환경에서 높은 안정성을 보였다.
• LDPC 코딩(레이트 1/2)과 무한 해상도 ADC를 사용함으로써, 양자화나 코딩에 의한 성능 제한이 발생하지 않음을 보장한다.