[논문 리뷰] Measurement-driven Evaluation of All-digital Many-antenna Full-duplex Communication.

Evan Everett, Clayton Shepard외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 15.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다수의 안테나를 갖춘 시스템을 위한 디지털 전용 전이중성 방법인 SoftNull을 제안한다. 이 방법은 자기간섭을 억제하기 위해 디지털 전송 beamforming을 사용한 후 잔여 자기간섭을 디지털로 보정한다. 72개의 안테나로 구성된 어레이에서 평가한 결과, 소형셀 환경에서 다수의 안테나를 갖춘 구성에서 하프디플렉스보다 뛰어나게 성능을 발휘하며, 동적 범위를 효율적으로 관리하고 동시에 업링크 및 다운링크 전송을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, we present and study an all-digital method, called \softNull, to enable full-duplex in many-antenna systems. Unlike most designs that rely on analog cancelers to suppress self-interference, SoftNull relies on digital transmit beamforming to reduce self-interference. SoftNull does not attempt to perfectly null self-interference, but instead seeks to reduce self-interference sufficiently to prevent swamping the receiver's dynamic range. Residual self-interference is then cancelled digitally by the receiver. We evaluate the performance of SoftNull using measurements from a 72-element antenna array in both indoor and outdoor environments. We find that SoftNull can significantly outperform half-duplex for small cells operating in the many-antenna regime, where the number of antennas is many more than the number of users served simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 전이중성 다수 안테나 시스템에서 자기간섭 문제를 해결함으로써, 특히 고밀도 사용자를 가진 소형셀 환경에서의 도전 과제를 해결한다.
• 대규모 안테나 어레이에서 복잡하고 면적을 많이 차지하는 아날로그 보정기기 의존도를 제거한다.
• 자기간섭을 디지털 처리로 관리할 수 있는 수준까지 낮추는 확장 가능한 디지털 전용 솔루션을 개발한다.
• 실제 실내 및 실외 전파 환경에서 제안된 방법의 성능을 평가한다.
• 자기간섭이 효과적으로 관리될 경우, 다수 안테나 시스템에서 전이중성이 하프디플렉스보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• SoftNull은 자기간섭 전력이 수신기 어레이에서 감소하도록 방사 패턴을 디지털 전송 beamforming으로 조절한다.
• 완벽한 노킹을 목표로 하기보다는, 수신기의 동적 범위가 포화되지 않도록 자기간섭을 충분히 억제한다.
• 기본대역 수신기에서 적응 필터링 기법을 사용해 잔여 자기간섭을 디지털로 보정한다.
• 모든 과정이 디지털 영역에서 수행되어 아날로그 보정기나 복잡한 RF 캘리브레이션을 필요로 하지 않는다.
• 실제 실내 및 실외 환경에서 72개의 안테나로 구성된 매크로 MIMO 어레이의 채널 측정 자료를 사용해 시스템을 평가한다.
• 동일한 조건에서 하프디플렉스 운영과의 비교를 통해 스펙트럼 효율성 및 사용자 스루풋을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아날로그 보정 없이도 디지털 전송 beamforming 기반 접근이 다수 안테나 전이중성 시스템에서 자기간섭을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 고안테나 밀도를 갖춘 어레이 환경에서 소형셀 환경에서 SoftNull의 성능은 하프디플렉스 운영과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 디지털 beamforming이 자기간섭을 어느 정도 낮추어, 잔여 자기간섭을 디지털로 보정할 수 있는 수준으로 만들 수 있는가?
• RQ4 실내 및 실외 환경을 포함한 다양한 전파 환경에서 시스템 성능은 어떻게 되는가?
• RQ5 자기간섭이 효과적으로 관리될 경우, 다수 안테나 환경에서 SoftNull을 사용할 때 전이중성의 스펙트럼 효율성 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• SoftNull은 수신기의 동적 범위가 포화되지 않도록 자기간섭을 효과적으로 낮춰 안정적인 전이중성 운영을 가능하게 했다.
• 실내 및 실외 환경 모두에서 소형셀 환경에서 하프디플렉스 운영 대비 SoftNull이 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성했다.
• 사용자 수에 비해 안테나 수가 크게 초과되는 다수 안테나 어레이 환경에서 SoftNull은 하프디플렉스를 능가하는 성능을 보였다.
• 디지털 beamforming 이후 잔여 자기간섭이 디지털 신호 처리를 통해 효과적으로 보정되었으며, 하이브리드 접근의 실현 가능성을 확인했다.
• 디지털 전용 구현 방식은 아날로그 보정기기의 하드웨어 복잡성과 캘리브레이션 과제를 피함으로써 확장성을 확보했다.
• 72개 안테나 어레이에서의 측정 결과는 SoftNull이 실제 전파 조건에서 뛰어난 내구성과 성능을 보임을 입증했다.