[논문 리뷰] Feasibility of In-band Full-Duplex Radio Transceivers with Imperfect RF Components: Analysis and Enhanced Cancellation Algorithms

Dani Korpi, Lauri Anttila외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 04.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 인바운드 풀디럭스 라디오 트랜시iever에 대해, IQ 불균형과 전력 증폭기 유도 비선형성을 명시적으로 모델링하고 억제하는 새로운 연합 증강 비선형 디지털 자기간섭 제거기를 제안한다. 광범위한 웨이브폼 시뮬레이션을 통해 제안된 방법이 전통적인 선형 및 넓은 의미의 선형 보정 방법보다 뛰어나게 성능을 발휘하며, 고전력 전송에서도 거의 SINR에 의존하지 않는 성능을 달성함을 보여주며, 전송기 유도 열노이즈가 이전에 간과되었지만 중요한 손상 요소임을 규명하였다.

ABSTRACT

In this paper we provide an overview regarding the feasibility of in-band full-duplex transceivers under imperfect RF components. We utilize results and findings from the recent research on full-duplex communications, while introducing also transmitter-induced thermal noise into the analysis. This means that the model of the RF impairments used in this paper is the most comprehensive thus far. By assuming realistic parameter values for the different transceiver components, it is shown that IQ imaging and transmitter-induced nonlinearities are the most significant sources of distortion in in-band full-duplex transceivers, in addition to linear self-interference. Motivated by this, we propose a novel augmented nonlinear digital self-interference canceller that is able to model and hence suppress all the essential transmitter imperfections jointly. This is also verified and demonstrated by extensive waveform simulations.

연구 동기 및 목표

• 실제 RF 손상 조건, 특히 이전에 간과되었던 전송기 유도 열노이즈를 고려할 때 인바운드 풀디럭스 트랜시iever의 실현 가능성을 분석하는 것.
• 실제 풀디럭스 시스템에서 가장 중요한 왜곡 성분을 특정하는 것, 특히 IQ 이미징과 전력 증폭기 비선형성에 초점.
• 다중 비선형성 및 I/Q 손상 요소를 동시에 억제할 수 있는 새로운 디지털 보정 알고리즘을 개발하고 평가하는 것.
• 측정된 채널 파rameter와 실제 구성 요소 모델을 사용한 실제 웨이브폼 시뮬레이션을 통한 종합적인 성능 평가 제공.

제안 방법

• 저자들은 IQ 불균형, 전력 증폭기(PA) 비선형성, 전송기 유도 열노이즈를 포함한 실제 RF 손상 조건을 고려한 풀디럭스 트랜시iever 체인을 모델링한다.
• 넓은 의미의 선형 구조를 사용하여 IQ 불균형과 PA 유도 비선형 왜곡을 동시에 모델링하고 보정하는 새로운 증강 비선형 디지털 자기간섭 보정기를 제안한다.
• 메모리 다항식 모델(최대 5차)을 사용한 시간 도메인 필터 구조로 구현된 보정 알고리즘으로 선형 및 비선형 성분을 모두 포함한다.
• 16-QAM OFDM 웨이브폼(64개 서브캐리어, 48개 데이터 서브캐리어, 12.5 MHz 대역폭)을 사용한 시뮬레이션을 수행하며, 캘리브레이션 동안 10,000개 샘플을 기반으로 채널 추정을 수행한다.
• 동일한 조건에서 제안된 연합 보정기의 성능을 넓은 의미의 선형, 비선형, 기존 선형 보정 방법과 비교한다.
• 자기간섭 채널의 K-팩터는 실제 측정 기반으로 35.8 dB로 설정되며, 실제 하드웨어 제약 조건을 반영하기 위해 RF 보정 손실 30 dB를 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 구성 요소의 비이상성 조건을 고려할 때, 인바운드 풀디럭스 트랜시iever의 성능을 제한하는 주요 RF 손상 요소는 무엇인가?
• RQ2 전송기 유도 열노이즈는 풀디럭스 시스템에서 달성 가능한 SINR에 어떤 영향을 미치며, 왜 이전 연구에서 자주 간과되었는가?
• RQ3 단일 디지털 보정 알고리즘이 동시에 IQ 불균형과 전력 증폭기 비선형성을 효과적으로 억제할 수 있는가? 그리고 별도 또는 선형 방법과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 비선형 왜곡과 I/Q 불균형은 고전력 전송 조건에서 넓은 의미의 선형 보정 방법의 성능을 얼마나 제한하는가?
• RQ5 비선형성과 I/Q 손상 요소를 동시에 모델링하는 연합 보정 기법의 달성 가능한 SINR 성능는 얼마이며, 이상적인 간섭 없는 경우에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 연합 증강 비선형 보정기는 15 dBm 이하 전송 전력에서 거의 이상적인 SINR 성능(15 dB)을 달성하며, 넓은 의미의 선형 및 기존 선형 보정 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 15 dBm 이상의 전송 전력에서는 PA 유도 비선형성이 넓은 의미의 선형 보정 방법의 성능을 결정적으로 제한하는 주요 요소가 되며, 낮은 전력에서는 우수한 성능를 보였음에도 불구하고 그렇다.
• 기존 선형 보정 방법은 가장 낮은 전송 전력에서도 15 dB SINR를 달성하지 못하며, 비선형 보정 방법은 선형 방법 대비 근소한 향상만을 제공한다.
• IQ 불균형과 PA 비선형성은 가장 중요한 왜곡 성분으로 규명되었으며, 30 dB RF 보정 조건에서 공액 자기간섭이 간섭의 주요 원인이 된다.
• 전송기 유도 열노이즈는 이전에 간과되었지만 최종 성능 한계를 결정짓는 중요한 손상 요소로 규명되었다.
• 연합 보정기는 잔여 간섭을 크게 감소시켜 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 실용적인 풀디럭스 구현에 가장 효과적인 접근법이 되었다.