[논문 리뷰] Optimal Training for Residual Self-Interference for Full Duplex One-way Relays

Xiaofeng Li, Cihan Tepedelenlioğlu외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 18.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 최대우도추정법과 BFGS 알고리즘을 사용하여 완전이중성 단방향 중계에서 잔류 자기간섭(RSI)과 종단간 채널을 추정하기 위한 최적의 훈련 방식을 제안한다. 점근적 토플리츠 행렬 성질을 통한 폐쇄형 크래머-라오 하한(CRB) 유도를 통해 저자들은 추정 오차를 최소화할 수 있도록 훈련 시퀀스를 최적화하며, 이는 도착지에서 효과적인 RSI 제거와 심호 간 간섭(ISI) 완화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Channel estimation and optimal training sequence design for full-duplex one-way relays are investigated. We propose a training scheme to estimate the residual self-interference (RSI) channel and the channels between nodes simultaneously. A maximum likelihood estimator is implemented with Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) algorithm. In the presence of RSI, the overall source-to-destination channel becomes an inter-symbol-interference (ISI) channel. With the help of estimates of the RSI channel, the destination is able to cancel the ISI through equalization. We derive and analyze the Cramer-Rao bound (CRB) in closed-form by using the asymptotic properties of Toeplitz matrices. The optimal training sequence is obtained by minimizing the CRB. Extensions for the fundamental one-way relay model to the frequency-selective fading channels and the multiple relays case are also considered. For the former, we propose a training scheme to estimate the overall channel, and for the latter the CRB and the optimal number of relays are derived when the distance between the source and the destination is fixed. Simulations using LTE parameters corroborate our theoretical results.

연구 동기 및 목표

• 자기간섭 제거에도 불구하고 시스템 성능을 저하시키는 완전이중 단방향 중계 시스템에서의 잔류 자기간섭(RSI) 문제를 해결한다.
• 원천에서 목적지까지의 종단간 채널과 RSI 채널을 동시에 추정하는 공동 채널 추정 기법을 개발한다.
• 크래머-라오 하한(CRB)을 이용한 최적화를 통해 RSI 및 종단간 채널 추정 오차를 최소화한다.
• 주파수 선택적 fading 채널과 다중 중계 환경으로의 프레임워크 확장을 시도하며, 최적의 중계 수와 전체 채널 추정 성능을 분석한다.
• 정확한 RSI 채널 추정을 통해 도착지에서 효과적인 심호 간 간섭(ISI) 제거를 가능하게 한다.

제안 방법

• 최적화를 위해 Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS) 알고리즘을 사용하는 최대우도(ML) 추정기를 제안하며, RSI 및 종단간 채널의 공동 추정을 수행한다.
• 미지 매개변수(채널 이득, 위상, 시간 오프셋)의 피셔 정보 행렬을 유도하여 폐쇄형 크래머-라오 하한(CRB)을 도출한다.
• 토플리츠 행렬의 점근적 성질을 활용하여 CRB를 분석하며, 대규모 표본 근사에서 채널 행렬을 순환행렬으로 간주한다.
• 비정수 지연을 다루기 위해 시간 이동 이산 푸리에 변환(DTFT) 모델 $ t_{\tau_0}(\lambda) $ 를 도입하여 폐쇄형 CRB 분석이 가능하도록 한다.
• BFGS 알고리즘에 사용하기 위해 채널 매개변수의 실수부 및 허수부에 대한 로그우도 함수의 기울기를 수식으로 구성한다.
• 고정된 원천-목적지 거리 조건 하에서 주파수 선택적 fading 채널로의 확장을 위해 전체 채널을 추정할 수 있는 훈련 방식을 설계하고, 다중 중계 케이스를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전이중 단방향 중계 시스템에서 원천에서 목적지까지의 종단간 채널과 함께 잔류 자기간섭(RSI) 채널을 어떻게 공동으로 추정할 수 있는가?
• RQ2 RSI 및 종단간 채널 추정의 크래머-라오 하한(CRB)을 최소화하는 최적의 훈련 시퀀스는 무엇인가?
• RQ3 RSI 존재 시 심호 간섭(ISI)가 어떻게 유도되는가? 그리고 추정된 RSI 매개변수를 사용하여 도착지에서 효과적으로 제거할 수 있는가?
• RQ4 주파수 선택적 fading이 RSI 추정에 미치는 영향은 무엇이며, 추정 정확도를 유지하기 위해 훈련 시퀀스는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ5 원천-목적지 거리가 고정된 다중 중계 완전이중 시스템에서 최적의 중계 수는 얼마인가?

주요 결과

• 점근적 토플리츠 행렬 이론을 활용하여 RSI 및 종단간 채널 추정의 크래머-라오 하한(CRB)을 폐쇄형으로 도출함으로써 이론적 훈련 시퀀스 최적화가 가능해졌다.
• CRB를 최소화함으로써 최적의 훈련 시퀀스를 확보하였으며, 이는 채널 추정의 정확도 향상과 오차 분산 감소에 기여한다.
• 제안된 BFGS 기반 최대우도 추정기는 심호 간섭(ISI)이 존재하는 상황에서도 정확한 RSI 및 종단간 채널 추정치에 효과적으로 수렴한다.
• 시간 이동 이산 푸리에 변환(DTFT) 모델 $ t_{\tau_0}(\lambda) $ 는 RSI 지연이 심호 주기의 정수배가 아니어도 폐쇄형 CRB 분석이 가능하도록 한다.
• LTE 파rameter를 사용한 시뮬레이션을 통해 이론적 CRB 결과를 검증하였으며, 기존 피LOT 기반 방법 대비 최적의 훈련 시퀀스가 추정 오차를 크게 감소시킴을 확인하였다.
• 다중 중계 환경에서 CRB 분석을 통해 고정된 원천-목적지 거리 조건 하에서 추정 오차를 최소화하는 최적의 중계 수가 존재함을 규명하였다.