[논문 리뷰] Analog Baseband Cancellation for Full-Duplex: An Experiment Driven Analysis

Brett A. Kaufman, J. Lilleberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 02.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 21인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 RF 취소 이후 잔류 자기간섭을 완화함으로써 풀디럭스 무선 통신을 향상시키기 위해 아날로그 베이스밴드 취소 기법을 제안한다. 사면체 패치 안테나 프로토타입을 사용하여 저수준의 베이스밴드 모델을 유도하고, 수동 RF 격리와 아날로그 베이스밴드 취소를 조합함으로써 RF 단독 취소 대비 최대 2.4 bps/Hz 높은 스펙트럼 효율성과 10⁴ 향상된 BER 성능을 입증하였다. 이는 박스밴드, 고격리 설계보다 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Recent wireless testbed implementations have proven that full-duplex communication is in fact possible and can outperform half-duplex systems. Many of these implementations modify existing half-duplex systems to operate in full-duplex. To realize the full potential of full-duplex, radios need to be designed with self-interference in mind. In our work, we use a novel patch antenna prototype in an experimental setup to characterize the self-interference channel between transmit and receive radios. We derive an equivalent analytical baseband model and propose analog baseband cancellation techniques to complement the RF cancellation provided by the patch antenna prototype. Our results show that a wide bandwidth, moderate isolation scheme achieves up to 2.4 bps/Hz higher achievable rate than a narrow bandwidth, high isolation scheme. Furthermore, the analog baseband cancellation yields a 10-10,000 improvement in BER over RF only cancellation.

연구 동기 및 목표

• 풀디럭스 시스템에서 RF 취소를 보완하는 아날로그 베이스밴드 자기간섭 취소 기법을 설계하고 평가하는 것.
• 사면체 패치 안테나 프로토타입을 사용하여 실세계 자기간섭 채널을 특성화하는 것.
• 풀디럭스 통신에서 넓은 대역폭, 중간 격리 수준의 설계와 좁은 대역폭, 고격리 수준의 설계 간 성능을 비교하는 것.
• 베이스밴드 취소가 비트 오류율(BER)과 실현 가능한 스펙트럼 효율성에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 대역폭, 격리 수준, 취소 성능 간 최적의 트레이드오프를 규명하여 향후 풀디럭스 라디오 설계를 안내하는 것.

제안 방법

• 실세계 자기간섭 채널을 측정하기 위해 사면체 패치 안테나 프로토타입을 사용하여 실험적 풀디럭스 테스트베드를 구축하였다.
• 측정된 RF 데이터로부터 자기간섭 채널의 베이스밴드 등가 모델을 유도하여 간섭 신호의 분석적 표현을 가능하게 하였다.
• 두 가지 취소 설계를 구현하였다: 수동 RF 격리(PS)와 능동 RF 취소(AC), 모두 아날로그 베이스밴드 취소(B)와 조합하였다.
• 베이스밴드 단계에서의 채널 추정을 통해 잔류 자기간섭의 위상과 진폭을 일치시키는 취소 신호를 생성하였다.
• 다양한 신호 전력과 대역폭에서 BER 및 실현 가능한 전송률 지표를 사용하여 PS+B 및 AC+B 설계의 성능을 평가하였다.
• 스펙트럼 효율성과 간섭 제거 성능을 평가하기 위해 넓은 대역폭(10 MHz)의 중간 격리 설계와 좁은 대역폭(500 kHz)의 고격리 설계를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아날로그 베이스밴드 취소는 RF 취소 단독보다 잔류 자기간섭 제거에 어떻게 향상되는가?
• RQ2 대역폭과 격리 수준은 하이브리드 RF-베이스밴드 취소를 적용한 풀디럭스 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수동 RF 격리와 아날로그 베이스밴드 취소의 조합은 비트 오류율(BER)과 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 풀디럭스 환경에서 베이스밴드 취소는 RF 단독 취제 대비 어떤 전송률 향상을 가져오는가?
• RQ5 넓은 대역폭과 중간 격리 수준의 설계와 좁은 대역폭와 고격리 수준의 설계 중 어느 것이 더 뛰어난 풀디럭스 성능을 제공하는가?

주요 결과

• PS+B 설계는 고신호 대비 잡음비 조건에서 AC+B 설계 대비 최대 2.4 bps/Hz 높은 실현 가능한 전송률을 달성하였다.
• 아날로그 베이스밴드 취소는 RF 단독 취소 대비 BER을 10¹에서 10⁴ 배까지 감소시켰으며, 수신 신호 전력이 낮을수록 가장 뚜렷한 향상이 관찰되었다.
• -50 dBm 수신 신호 전력 조건에서 BER 향상은 10⁴에 도달하였으며, 약한 신호 조건에서 강력한 신뢰성 향상을 보였다.
• 2 MHz 이상의 대역폭에서는 좁은 대역폭 고격리 설계의 효과가 감소함에 따라 넓은 대역폭 중간 격리 설계가 더 뛰어난 성능을 보였다.
• 10 MHz 대역폭에서 수동 RF와 함께 베이스밴드 취소를 적용하면 8 dB의 성능 향상을 얻었고, 500 kHz 대역폭에서는 활성 RF 취소와 조합했을 때 13 dB의 성능 향상을 기록하였다.
• 모든 변조 방식에서 PS+B 설계는 AC+B 설계를 항상 뛰어넘었으며, QPSK와 16-PSK 간 성능 격차는 4 dB에 불과했으나, 일반적인 fading 채널에서는 8–9 dB의 격차를 보였다.