[논문 리뷰] Spatial Self-Interference Isolation for In-Band Full-Duplex Wireless: A Degrees-of-Freedom Analysis

Evan Everett, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 10.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 안테나 이론 기반 채널 모델을 사용하여 인밴드 풀드럭스 무선 시스템에서 공간적 자기간섭 격리 성능을 분석하며, 목적 사용자에 대한 산란체의 각도 분산이 기지국으로 되돌아오는 산란체의 각도 분산과 겹치지 않을 경우에만 공간 격리가 시간분할 duplexing보다 우월하다는 것을 보여준다. 주요 기여는 산란체 기하학이 간섭 겹침을 방지할 경우에만 공간 격리가 유익하다는 것을 증명하는 자유도 분석이다.

ABSTRACT

The challenge to in-band full-duplex wireless communication is managing self-interference. Many designs have employed spatial isolation mechanisms, such as shielding or multi-antenna beamforming, to isolate the self-interference wave from the receiver. Such spatial isolation methods are effective, but by confining the transmit and receive signals to a subset of the available space, the full spatial resources of the channel be under-utilized, expending a cost that may nullify the net benefit of operating in full-duplex mode. In this paper we leverage an antenna-theory-based channel model to analyze the spatial degrees of freedom available to a full-duplex capable base station, and observe that whether or not spatial isolation out-performs time-division (i.e. half-duplex) depends heavily on the geometric distribution of scatterers. Unless the angular spread of the objects that scatter to the intended users is overlapped by the spread of objects that backscatter to the base station, then spatial isolation outperforms time division, otherwise time division may be optimal.

연구 동기 및 목표

• 풀드럭스 시스템에서 공간 자기간섭 격리가 시간분할 duplexing 대비 네트워크 스펙트럼 효율성 향상에 기여하는지 분석하기.
• 풀드럭스 기지국에서 공간 격리 기법의 효과성에 영향을 미치는 산란체 기하학의 영향을 조사하기.
• 다양한 산란체 분포 하에서 풀드럭스 기지국이 확보할 수 있는 공간 자유도를 정량화하기.
• 공간 격리가 시간분할 duplexing를 초월하는 기하학적 조건을 규명하기.
• 대규모 MIMO 및 풀드럭스 시스템에서 공간 격리와 공간 multiplexing 간의 상호 교환 관계를 정식화하기.

제안 방법

• 풀드럭스 기지국과 그 자기간섭 채널을 기술하기 위해 안테나 이론 기반 물리적 채널 모델을 사용한다.
• 풀드럭스 운영 하에서 시스템의 공간 multiplexing 능력을 평가하기 위해 자유도 분석을 적용한다.
• 자기간섭 채널을 닫힌 범위를 가진 선형 연산자로 모델링하여 Moore-Penrose 의사역행렬과 직교 분해를 적용할 수 있도록 한다.
• 신호 공간을 채널의 영공간과 신호 부분공간의 전이상공간으로 분해하여 전이상공간의 차원을 유도한다.
• 핵심 결과 유도: 전이상공간의 자유도 수치는 영공간의 차원과 신호 부분공간이 채널 범위와 겹치는 부분의 차원의 합과 같다.
• 직교 투영과 의사역행렬 성질을 포함한 선형 대수 도구를 사용하여 주요 이론적 결과를 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀드럭스 시스템에서 공간 자기간섭 격리가 시간분할 duplexing를 초월하는 기하학적 조건은 무엇인가?
• RQ2 목적 사용자 신호에 영향을 미치는 산란체의 각도 분산과 기지국으로 되돌아오는 자기간섭 경로에 영향을 미치는 산란체의 각도 분산은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다양한 산란체 구성 조건 하에서 풀드럭스 기지국이 확보할 수 있는 최대 공간 자유도 수치는 얼마인가?
• RQ4 공간 자원을 차지하는 공간 격리 기법이 실제로 다중접속에 사용 가능한 자원을 소모함으로써 순수 스펙트럼 효율성 향상 효과를 달성할 수 있는가?
• RQ5 풀드럭스 시스템에서 채널의 영공간과 신호 부분공간의 전이상공간 간 이론적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 공간 자기간섭 격리가 시간분할 duplexing를 초월하는 것은 목적 사용자에 대한 산란체의 각도 분산이 기지국으로 되돌아오는 산란체의 각도 분산과 겹치지 않을 경우에만 성립한다.
• 목적 사용자에 대한 산란체의 각도 분산과 자기간섭 경로의 각도 분산이 겹칠 경우, 공간 격리가 자원을 소비하므로 시간분할 duplexing가 최적일 수 있다.
• 풀드럭스 기지국이 확보할 수 있는 자유도 수치는 영공간의 차원과 신호 부분공간이 채널 범위와 겹치는 부분의 차원의 합에 의해 결정된다.
• 이론적 프레임워크는 채널 연산자 하에서 신호 부분공간의 전이상공간의 차원이 영공간의 차원과 채널 범위 내부의 신호 부분공간의 차원의 합과 같다는 것을 증명한다.
• 분석 결과, 직접 경로 간섭을 효과적으로 억제하는 공간 격리 기법은 공간 자원이 제한된 풍부한 산란 환경에서는 성능이 열 劣할 수 있음을 시사한다.
• 결과적으로 채널 인지 기반 빔포밍이 직접 경로 및 다중 경로 자기간섭을 효과적으로 억제하기 위해 필수적임을 암시한다.