[논문 리뷰] Self-Interference Channel Characterization in Underwater Acoustic In-Band Full-Duplex Communications Using OFDM

Mohammad Towliat, Zheng Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 21.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 호수 실험을 통해 OFDM를 사용하는 수중 음향 인밴드 복절통신(UWA-IBFD) 시스템에서 자기간섭 채널 인력응답(SCIR)을 특성화한다. 직접 경로는 강하고 안정적이지만, 표면 반사 경로는 전체 SI 전력의 약 16% 기여하며, 이 경로의 응답은 약 70ms의 짧은 응답시간을 가지며 매우 빠르게 변동되어 보상하기가 어렵다. 이는 주로 반사 경로임에도 불구하고 강력한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Due to the limited available bandwidth and dynamic channel, data rates are extremely limited in underwater acoustic (UWA) communications. Addressing this concern, in-band fullduplex (IBFD) has the potential to double the efficiency in a given bandwidth. In an IBFD scheme, transmission and reception are performed simultaneously in the same frequency band. However, in UWA-IBFD, because of reflections from the surface and bottom and the inhomogeneity of the water, a significant part of the transmitted signal returns back to the IBFD receiver. This signal contaminates the desired signal from the remote end and is known as the self-interference (SI). With an estimate of the self-interference channel impulse response (SCIR), a receiver can estimate and eliminate the SI. A better understanding of the statistical characteristics of the SCIR is necessary for an accurate SI cancellation. In this article, we use an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal to characterize the SCIR in a lake water experiment. To verify the results, SCIR estimation is performed using estimators in both the frequency and time domains. We show that, in our experiment, regardless of the depth of the hydrophone, the direct path of SCIR is strong, stable and easily tracked; however, the reflection paths are weaker and rapidly time-varying making SI cancellation challenging. Among the reflections, the first bounce from the water surface is the prevalent path with a short coherence time around 70 ms.

연구 동기 및 목표

• 수중 음향 인밴드 복절통신(UWA-IBFD) 시스템에서 자기간섭 채널 인력응답(SCIR)의 통계적 특성을 이해하기 위해.
• 전력 지연 프로파일(PDP), 자기상관함수(ACF), 응답시간(COT) 분석을 통해 자기간섭 보상의 가능성을 평가하기 위해.
• 다이나믹한 수중 환경에서의 강건성에 비추어 주파수 도메인 및 시간 도메인 SCIR 추정 방법을 비교하기 위해.
• 자기간섭 전력의 주요 기여를 하는 다중경로 성분을 규명하고, 그 시간에 따라 변하는 특성이 보상 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 기존 OFDM 채널 추정 가정(블록 내 일정함)이 UWA-IBFD SCIR에 적용 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 호수 환경에서 OFDM 신호를 송신하여 주파수 도메인(FD) 및 시간 도메인(TD) 방법을 모두 활용해 SCIR를 추정한다.
• SCIR의 크기를 기반으로 전력 지연 프로파일(PDP)을 추정하여 주요 다중경로 성분을 식별한다.
• SCIR의 자기상관함수(ACF)를 계산하여 시간적 상관관계를 분석하고 응답시간(COT)을 유도한다.
• 응답시간은 ACF가 최대값의 절반으로 감소하는 지연(lag)으로 정의되며, 이는 채널이 약간의 변화 없이 유지되는 시간 스케일을 나타낸다.
• 단기 채널 안정성을 검증하기 위해 윈도우 크기를 줄인(36ms) 윈도우드 타임 도메인 접근법을 사용한다.
• 이론적 분석에서는 $ P_s = \frac{1}{M} \sum_{m=0}^{M-1} p[m] $ 를 사용해 PDP에서 총 SI 전력을 계산하고, $ p_{\text{acc}}[j] = \frac{1}{M} \sum_{m=0}^{j-1} p[m] $ 를 통해 초기 경로의 누적 전력 기여도를 평가한다.

Figure 1 : UWA-IBFD system using OFDM for SCIR estimation, where $x[n]$ is the transmitted signal, $y[n]$ is the received signal, ${\hat{s}}[n]$ is the anticipated SI signal, and $e[n]$ denotes the residual.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UWA-IBFD 시스템의 자기간섭 채널 인력응답(SCIR)에서 주요 다중경로 성분은 무엇인가?
• RQ2 직접 경로 및 표면 반사 경로와 같은 각 경로에서 SCIR의 응답시간은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 특히 표면 반사 경로의 시간에 따라 변하는 특성은 OFDM 블록 내 채널이 일정하다는 가정을 어느 정도 위반하는가?
• RQ4 주파수 도메인 및 시간 도메인 SCIR 추정 방법이 실제 수중 환경에서 SCIR의 통계적 특성을 일관되게 특성화할 수 있는가?
• RQ5 직접 경로와 표면 반사 경로는 총 자기간섭 전력의 각각 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• SCIR의 직접 경로는 강력하고 안정적이며 총 자기간섭 전력의 약 72% 기여하여 보상하기가 비교적 용이하다.
• 표면 반사 경로는 주요 반사 경로이며 총 SI 전력의 약 16% 기여하며 매우 빠른 시간적 변동을 보인다.
• 표면 반사 경로의 응답시간은 약 70ms이며, 이는 일반적인 OFDM 블록 길이보다 짧아 블록 내 채널이 일정하다는 가정을 무너뜨린다.
• 36ms 윈도우를 사용한 시간 도메인 추정은 응답시간 추정을 확인하며, 표면 반사 경로가 짧은 간격 동안 약간의 변화 없이 유지됨을 검증한다.
• 직접 경로와 표면 반사 경로가 함께 총 자기간섭 전력의 약 88% 기여하므로, 이 두 경로를 정확히 추적하면 대부분의 SI를 보상할 수 있다.
• UWA-IBFD 시스템에서 SCIR의 심한 시간적 변동성으로 인해, OFDM 블록 내 채널이 일정하다는 표준 가정은 부적절하며, 특히 표면 반사 경로에서 이 가정이 크게 위반된다.

Figure 2 : Experimental set-up.