[논문 리뷰] Wideband Full-Duplex Wireless via Frequency-Domain Equalization: Design and Experimentation

Tingjun Chen, Mahmood Baraani Dastjerdi외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 03.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 38인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 20 MHz 대역폭에서 95 dB의 총 자기간섭 제거(SIC)를 달성하기 위해 주파수 도메인 등화(FDE)를 사용하는 광대역 전이중 무선 시스템을 제안한다. 이는 PCB 기반의 FDE 캔슬러를 통해 RF SIC로 52 dB, 디지털 SIC로 43 dB를 확보한다. 설계는 최적화 기반의 설정 방식을 통해 고정밀도 및 적응형 SIC를 가능하게 하며, SDR 테스트베드 실험을 통해 평균 1.87배의 FD 링크 이득과 다중 노드 네트워크에서의 뛰어난 성능을 입증한다.

ABSTRACT

Full-duplex (FD) wireless can significantly enhance spectrum efficiency but requires tremendous amount of self-interference (SI) cancellation. Recent advances in the RFIC community enabled wideband RF SI cancellation (SIC) in integrated circuits (ICs) via frequency-domain equalization (FDE), where RF filters channelize the SI signal path. Unlike other FD implementations, that mostly rely on delay lines, FDE-based cancellers can be realized in small-form-factor devices. However, the fundamental limits and higher layer challenges associated with these cancellers were not explored yet. Therefore, and in order to support the integration with a software-defined radio (SDR) and to facilitate experimentation in a testbed with several nodes, we design and implement an FDE-based RF canceller on a printed circuit board (PCB). We derive and experimentally validate the PCB canceller model and present a canceller configuration scheme based on an optimization problem. We then extensively evaluate the performance of the FDE-based FD radio in the SDR testbed. Experiments show that it achieves 95dB overall SIC (52dB from RF SIC) across 20MHz bandwidth, and an average link-level FD gain of 1.87x. We also conduct experiments in: (i) uplink-downlink networks with inter-user interference, and (ii) heterogeneous networks with half-duplex and FD users. The experimental FD gains in the two types of networks confirm previous analytical results. They depend on the users' SNR values and the number of FD users, and are 1.14x-1.25x and 1.25x-1.73x, respectively. Finally, we numerically evaluate and compare the RFIC and PCB implementations and study various design tradeoffs.

연구 동기 및 목표

• 소형 포맷의 장치를 위한 광대역 자기간섭 제거(SIC)를 달성하기 위한 과제를 해결하기 위해.
• 실험적 검증과 SDR 통합을 위해 RFIC 수준 성능을 모방하는 PCB 기반 FDE 캔슬러를 설계 및 구현하기 위해.
• 실세계 환경에서 적응형 RF SIC를 위한 최적화 기반 설정 방식을 개발하기 위해.
• SDR 테스트베드를 사용하여 FDE 기반 FD 라디오의 시스템 수준 성능을 링크, 노드 및 네트워크 시나리오에서 평가하기 위해.
• FDE 기반 캔슬러의 PCB 및 RFIC 구현 간 성능 및 설계 트레이드오프를 비교하기 위해.

제안 방법

• RFIC 수준의 FDE 기반 자기간섭 캔슬러를 모방하기 위해 이산 구성 요소를 사용한 프린팅 회로 기판(PCB)을 사용한 전이중 라디오를 설계한다.
• 주파수 선택적 특성을 모델링하기 위해 주파수 도메인 등화(FDE)와 조절 가능한 고 품질 인자 2차 대역통과 필터(BPF)를 사용한다.
• PCB BPF의 실제적인 ABCD 행렬 기반 모델을 개발하여 캔슬러의 주파수 응답을 예측하고 검증한다.
• 최대 RF SIC를 달성하기 위해 FDE 탭 이득과 위상을 설정하기 위한 최적화 문제(P2)를 제안한다. 이는 동적인 환경에서의 적응형 캔슬링을 가능하게 한다.
• NI USRP SDR와 PCB 캔슬러를 통합하여 다중 노드 테스트베드에서 실시간 실험을 가능하게 한다.
• 실험적으로 캔슬러 모델을 검증하고, 측정 및 시뮬레이션 데이터를 사용하여 RFIC 구현과 성능를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PCB에 구현된 FDE 기반 RF 캔슬러는 RFIC 구현과 유사한 고정밀도 광대역 자기간섭 제거 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실세계의 시간에 따라 변하는 환경에서 FDE 기반 캔슬러의 RF SIC를 최대화하기 위한 최적의 설정 방식은 무엇인가?
• RQ3 FDE 기반 FD 라디오는 하이퍼디럭스 시스템 대비 링크 수준 및 네트워크 수준 성능 향상에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ4 SIC 성능, 면적, 내구성 측면에서 FDE 기반 캔슬러의 PCB 및 RFIC 구현 간 주요 설계 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 FDE 접근 방식은 반도체 혼합된 하이브리드 네트워크에서 다양한 하이퍼디럭스 및 전이중 사용자를 수용하는 데 있어 얼마나 스케일업 가능한가?

주요 결과

• FDE 기반 PCB 캔슬러는 20 MHz 대역폭에서 총 95 dB의 자기간섭 제거 성능을 달성하였으며, 이 중 52 dB는 RF SIC, 43 dB는 디지털 SIC에서 기인한다.
• 최적화 기반 설정 방식은 히وري스틱 접근 대비 10 dB의 RF SIC 향상을 보이며, 최적화 기반 설계의 효과성을 입증한다.
• 통제된 실험에서 평균 링크 수준 FD 이득은 1.87배를 기록하여 스펙트럼 효율 향상이 뚜렷하게 확인된다.
• 유저 간 간섭이 존재하는 업링크-다운링크 네트워크에서 FD 이득은 신호 대 잡음비(SNR)와 FD 사용자 수에 따라 1.14배에서 1.25배 사이로 변동한다.
• 혼합된 하이퍼디럭스 및 전이중 사용자가 포함된 이질적 네트워크에서는 FD 이득이 1.25배에서 1.73배 사이로 변동하며, 분석 예측을 검증한다.
• PCB 구현은 RFIC 대체품과 유사한 성능을 보이며, 동일한 SIC 수준을 확보하고 있으며, 더 높은 내구성과 테스트베드 통합 잠재력을 지닌다.