[論文レビュー] In-Band Full-Duplex Wireless: Challenges and Opportunities

Ashutosh Sabharwal, Philip Schniter+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2013

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 107被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、自己干渉抑制を主な課題とするインバンドフルデュプレックス（IBFD）無線通信に関する包括的なチュートリアルを提示する。100 dBを超える自己干渉抑制の必要性を分析し、ADCのダイナミックレンジとハードウェアの制限要因を特定し、ハイブリッドアナログ／デジタルキャンセレーション技術をレビューする。14ビットADC（11 ENOB）では、PAPRおよび量子化損失を考慮した上で、有効ダイナミックレンジが約52 dBに制限され、残りの干渉がノイズフロアより約52 dB高い状態に留まることを示している。

ABSTRACT

In-band full-duplex (IBFD) operation has emerged as an attractive solution for increasing the throughput of wireless communication systems and networks. With IBFD, a wireless terminal is allowed to transmit and receive simultaneously in the same frequency band. This tutorial paper reviews the main concepts of IBFD wireless. Because one the biggest practical impediments to IBFD operation is the presence of self-interference, i.e., the interference caused by an IBFD node's own transmissions to its desired receptions, this tutorial surveys a wide range of IBFD self-interference mitigation techniques. Also discussed are numerous other research challenges and opportunities in the design and analysis of IBFD wireless systems.

研究の動機と目的

• インバンドフルデュプレックス（IBFD）無線システムにおける自己干渉の根本的課題に取り組むこと。これは、端末自身の送信が受信性能を著しく劣化させるためである。
• デジタルドメインにおける自己干渉キャンセレーションの文脈において、アナログ・トゥ・デジタルコンバーター（ADC）のダイナミックレンジが引き起こす実用的制限を分析すること。
• アナログ、デジタル、ハイブリッドアプローチを含む幅広い自己干渉キャンセレーション技術を調査・評価し、実用的なIBFD運用に向けた有効な道筋を特定すること。
• 次世代無線ネットワークにおけるIBFD実現を妨げる物理層、アクセス制御層、ネットワーク層のオープンな研究課題を強調すること。
• 現実的実装性を備えたスペクトル効率の高いフルデュプレックス無線システムを設計する研究者・技術者向けの基盤的概要を提供すること。

提案手法

• ADCに到達する前に主要な自己干渉信号を抑圧するため、アナログドメインとデジタルドメインの技術を組み合わせたハイブリッド自己干渉キャンセレーションフレームワークを提案する。
• ヘッドルーム、PAPR、量子化誤差を考慮した有効ダイナミックレンジの算出式 $6.02(\text{ENOB} - 2)$ dB を用いてADCの有効ダイナミックレンジを分析し、完全なデジタルキャンセレーション後でも性能が制限されることを示す。
• 残りの干渉フロアを、自己干渉電力より $6.02(\text{ENOB} - 2)$ dB低い値としてモデル化し、SINR解析から導出されたペナルティ項 $-\text{PAPR}_{x} - 7$ dB を含む。
• ADC入力における信号モデル $x = d + s + n$ を用い、$d$ を目的信号、$s$ を自己干渉、$n$ をノイズとする。完全なデジタルキャンセレーション後のSINRを $\text{SINR} = \sigma_d^2 / (\sigma_n^2 + \sigma_e^2)$ と分析し、$\sigma_e^2 = \sigma_n^2 / 4$ を用いる。
• 14ビットADC（11 ENOB）を用いた場合、有効ダイナミックレンジは約54.2 dBに達するが、PAPRおよび量子化損失の影響を受けて、残りの干渉フロアは完全なキャンセレーション後でも約52 dBノイズフロア上に制限されると示している。
• オシレーターの位相ノイズ、I/Q不一致、アンプの非線形性などのハードウェア劣化要因がシステム性能に与える影響を評価し、キャンセレーションの実現可能性をさらに制限することを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インバンドフルデュプレックス（IBFD）は、ハーフデュプレックスシステムに比べて、どの程度のスペクトル効率の向上を実現できるのか。また、その利点を実現するための実用的障壁は何か？
• RQ2 なぜ自己干渉がIBFD運用の主な障壁となるのか。一般的なセルラー展開において、どの程度の抑制レベルが求められるのか？
• RQ3 ADCのダイナミックレンジとピーク対平均電力比（PAPR）は、デジタルドメインにおける自己干渉キャンセレーションの性能にどのように制限をもたらすのか？
• RQ4 実用的なIBFDシステムにおけるADCの有効ダイナミックレンジは何か。また、キャンセレーション後の残りの干渉フロアにどのような制限をもたらすのか？
• RQ5 高ダイナミックレンジのIBFDシステムにおいて、純粋なデジタルキャンセレーションの制限を克服するための、最も効果的なハイブリッドアナログ／デジタルキャンセレーション戦略は何か？

主な発見

• フェムトセルシステムでは、自己干渉電力は受信ノイズフロアより約106 dB高い。ハーフデュプレックス性能に相当させるには100 dBを超える抑制が必要である。
• 完全なデジタルドメインにおける自己干渉キャンセレーションを実施した場合でも、14ビットADC（11 ENOB）を用いた場合、ADCの量子化とノイズの影響により、残りの干渉フロアはノイズフロアより約52 dB高い状態に留まる。
• IBFDシステムにおけるADCの有効ダイナミックレンジは、おおよそ $6.02(\text{ENOB} - 2)$ dB に相当する。11 ENOBの場合、約54.2 dB に達するが、PAPRが5 dBの場合、有効ダイナミックレンジは約12 dB減少し、結果として実効的なペナルティが約52 dBに達する。
• 残りの干渉フロアは、$\overline{\text{SINR}}|_{\rm dB} = \frac{\sigma_d^2}{\sigma_s^2}|_{\rm dB} + 6.02\text{ENOB} - \text{PAPR}_{x}|_{\rm dB} - 7$ dB で制限され、完全なキャンセレーション後でもハードウェア制限が性能を制限することが示されている。
• 理論的性能と実用的IBFD性能の差は、主にADCの制限とハードウェア劣化要因に起因しており、例示システムでは52 dBのギャップが観察された。これは、ハーフデュプレックス性能を達成するには100 dBを超えるキャンセレーションが必要であることを示している。
• 14ビットADC（11 ENOB）と5 dBのPAPRを用いた場合、残りの干渉フロアはノイズより約52 dB高い状態にあり、これは有効分解能が2ビット低下した状態に相当し、システム性能に深刻な制限をもたらしている。