[논문 리뷰] Full Duplex Integrated Access and Backhaul for 5G NR: Analyses and Prototype Measurements

Gee Yong Suk, Soo-Min Kim외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 07.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 5G NR에서 스펙트럼 효율성을 향상시키고 백홀 비용을 줄이기 위해 동일 주파수에서 동시에 업링크 및 다운링크 전송을 허용하는 Full Duplex Integrated Access and Backhaul (FD IAB)을 제안한다. 28 GHz에서 방향성 안테나와 하드웨어 프로토타입 측정을 통해 최대 82.18 dB의 자기간섭 감소를 달성하여, 향후 5G 네트워크에 대한 FD IAB가 실현 가능하고 고성능임을 입증한다.

ABSTRACT

Integrated access and backhaul (IAB) frameworks for 5G new radio (NR) as a cost-effective alternative to the wired backhaul have been investigated by 3GPP. A promising solution for this framework is the integration of full duplex (FD) technologies to enhance the spectral efficiency and make an efficient use of the network resources-termed FD IAB. However, FD IAB presents significant technical challenges, such as self-interference (SI) in the IAB framework, which may cast doubt over the feasibility of FD IAB. In this article, we present a brief tutorial of the FD IAB framework and its enabling technologies. We then numerically evaluate and discuss the link-level SI reduction and the system-level downlink throughput performance of the FD IAB. Finally, we validate the feasibility of FD IAB using 28 GHz hardware prototype measurements of propagation-domain SI suppression. Our numerical evaluations and prototype measurements confirm that the FD IAB serves as a promising framework for 5G NR.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 5G NR 네트워크에서 광케이블 백홀의 높은 CAPEX/OPEX 문제를 해결하기 위해 통합 액세스 및 백홀(IAB)을 활용한 비용 효율적인 대안을 제안한다.
• 성능과 실현 가능성에 위협이 되는 Full-Duplex (FD) IAB 시스템에서의 자기간섭(SI)을 극복하는 데 목적이 있다.
• 실제 5G NR 환경에서 FD IAB의 링크 수준 자기간섭 감소 및 시스템 수준 다운링크 Throughput 성능을 평가한다.
• 전파 영역에서의 자기간섭 감소에 초점을 맞춰 28 GHz에서 하드웨어 프로토타입 측정을 통해 FD IAB의 실현 가능성을 검증한다.
• 방향성 빔형성과 안테나 간격을 통해 충분한 SI 감소를 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 기본 대역 처리를 위해 14비트 DAC와 12비트 ADC를 사용하는 단일 안테나 RF 체인을 활용해 28 GHz Full-Duplex IAB 노드 프로토타입을 설계 및 구현한다.
• 고이득 렌즈 안테나(19.86 dBi, 13.4° 빔폭)를 적용하여 정렬성과 간섭 감소를 위한 공간적 격리성을 향상시킨다.
• 다양한 안테나 간격(0.1 m에서 2 m)과 상대 애자이즘 각도에서 자기간섭 전력의 하드웨어 측정을 수행한다.
• 수신 신호 강도를 자기간섭의 대체 측정 지표로 사용하기 위해 기부 유닛(DU)과 모바일 단말기(MT) 간의 동기화된 통신을 구현한다.
• 전송 에너지를 집중하고 수신 경로로의 누출을 줄이기 위해 아날로그 빔포밍을 적용한다.
• 측정된 SI 감소 성능을 시뮬레이션 결과와 비교하며, 금속 기둥 등의 반사체 및 흡수체와 같은 환경적 차이를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Full-Duplex 통합 액세스 및 백홀(FD IAB)은 하프-드플렉스 IAB에 비해 5G NR에서 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 안테나 간격과 고직도를 활용할 경우 28 GHz FD IAB 시스템에서 자기간섭은 어느 정도 감소할 수 있는가?
• RQ3 28 GHz에서 측정된 자기간섭 감소 성능은 이전의 sub-6 GHz 대역에서의 성능과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 실제 시스템 수준 시나리오에서 FD IAB의 구현 가능한 다운링크 Throughput 성능은 어떠한가?
• RQ5 하드웨어 프로토타입 측정을 통해 FD IAB가 실질적인 5G NR 구현에 실현 가능하다고 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 0.1 m의 안테나 간격에서, 단지 방향성 안테나와 경로 손실을 활용해 평균 82.18 dB의 자기간섭 감소를 달성했다.
• 1 m 간격에서는 측정된 감소율이 97.26 dB였고, 2 m 간격에서는 100.125 dB에 도달하여 거리와 경로 손실의 영향을 입증했다.
• 0.5 m 간격에서 흡수성 쉴드와 교차 편광 안테나를 사용한 28 GHz 프로토타입은 이전의 2.4 GHz 측정치를 뛰어넘는 73.8 dB의 감소 성능을 기록했다.
• 측정된 감소 성능은 mmWave FD IAB 시스템에서 전파 영역 자기간섭 감소가 실현 가능하다는 것을 확인한다.
• 수치적 평가 결과, 밀도 높은 5G NR 배치에서 FD IAB는 HD IAB보다 더 높은 스펙트럼 효율성과 다운링크 Throughput 성능을 달성할 수 있다.
• 자기간섭이 공간적 및 하드웨어 기법을 통해 효과적으로 억제되는 한, FD IAB는 향후 5G NR에 대해 실현 가능하고 유망한 솔루션임을 연구가 확인했다.