自己干渉キャンセル

自己干渉除去( SIC ) は、無線トランシーバーが単一のチャネル、部分的に重複するチャネルのペア、または同じ周波数帯域内の任意のチャネルのペアで同時に送受信できるようにする信号処理技術です。同じ周波数での同時送信と受信を可能にするために使用される場合 (「帯域内全二重」または「同時送受信」と呼ばれることもあります)、SIC はスペクトル効率を実質的に 2 倍にします。また、SIC により、同じ周波数帯域を使用する 2 つの無線を含むデバイスとプラットフォームで、両方の無線を同時に操作できるようになります。

自己干渉キャンセルは、モバイル ネットワーク、無認可帯域、ケーブル TV、メッシュ ネットワーク、軍事、公共の安全などに応用されています。

インバンド全二重は、従来の二重方式に比べて利点があります。周波数分割二重 (FDD) システムは、同じ周波数帯域の 2 つの (通常は大きく離れた) チャネルを使用して、送信と受信を同時に行います。インバンド全二重は、スペクトル リソースの半分を使用して同じ機能を実行します。時分割二重 (TDD) システムは、単一チャネルで半二重で動作し、送信と受信を高速に切り替えることで、全二重通信の錯覚を作り出します。インバンド全二重無線は、同じスペクトル リソースを使用して 2 倍のスループットを実現します。^[1]

無線トランシーバーは、送信される情報と送信信号の構成方法の知識のみに基づいて、自身の送信信号をキャンセルすることはできません。受信機が受信する信号は完全に予測できるわけではありません。受信機に表示される信号は、さまざまな遅延の影響を受けます。これは、漏れ（送信機から受信機に直接移動する信号）と局所反射の組み合わせで構成されます。さらに、送信機コンポーネント（ミキサーやパワーアンプなど）は、高調波とノイズを生成する非線形性をもたらします。これらの歪みは、送信機の出力でサンプリングする必要があります。最後に、自己干渉キャンセルソリューションは、温度変化、機械的振動、環境内の物体の動きによって引き起こされるリアルタイムの変化を検出して補正する必要があります。^[2]

送信信号は、正確な信号モデルを作成し、それを使用して新しい信号を生成することで受信機でキャンセルできます。この新しい信号は、受信機に到着した信号と組み合わせると、必要な受信信号だけが残ります。必要なキャンセルの正確な量は、自己干渉の原因である送信信号の電力と、リンクが半二重モードで処理すると予想される信号対雑音比 (SNR) によって異なります。Wi-Fi および携帯電話アプリケーションの一般的な数値は 110 dB の信号キャンセルですが、一部のアプリケーションではより大きなキャンセルが必要です。

ローカル送信信号をキャンセルするには、アナログおよびデジタル エレクトロニクスの組み合わせが必要です。送信信号の強度は、サーキュレータ (共有アンテナを使用する場合) またはアンテナ分離技術 (交差偏波など) (別々のアンテナを使用する場合) を使用することで、受信機に到達する前に適度に低減できます。アナログ キャンセラは、遅延拡散の短い強い信号を処理する場合に最も効果的です。デジタル キャンセラは、遅延が 1,000 ナノ秒を超える弱い信号を処理する場合に最も効果的です。アナログ キャンセラは、少なくとも 60 dB のキャンセルを行う必要があります。デジタル キャンセラは、線形および非線形信号成分の両方を処理する必要があり、約 50 dB のキャンセルを生成します。アナログ キャンセラとデジタル キャンセラはどちらも、減衰器、位相シフター、および遅延要素で構成される多数の「タップ」で構成されています。SIC ソリューションのコスト、サイズ、および複雑さは、主にアナログ ステージによって決まります。また、キャンセラが急速な変化に適応できるようにするチューニング アルゴリズムも不可欠です。キャンセルアルゴリズムは通常、環境の変化に対応するために数百マイクロ秒ごとに適応する必要があります。^{[3] [4]}

SIC は、隣接チャネル干渉を低減または排除するためにも使用できます。これにより、2 つの無線 (2 つの 5 GHz 無線を備えた Wi-Fi アクセス ポイントなど) を含むデバイスは、距離に関係なく任意のチャネル ペアを使用できます。隣接チャネル干渉は、2 つの主な要素で構成されます。送信周波数の信号 (ブロッカと呼ばれる) が非常に強いため、隣接チャネルで受信している受信機の感度が低下することがあります。強力なローカル送信機は、隣接チャネルに漏れるノイズも生成します。SIC を使用すると、隣接チャネルの使用を妨げる可能性のあるブロッカとノイズの両方を低減できます。

まったく同じ周波数でまったく同時に送信と受信を行うことには、複数の目的があります。帯域内全二重は、スペクトル効率を 2 倍にする可能性があります。これにより、1 つの周波数しか利用できない場所での真の全二重操作が可能になります。また、「会話しながら聞く」操作が可能になります (以下のコグニティブ無線を参照)。

ほとんどのスモールセルは光ファイバーケーブルを使用して給電されると予想されますが、光ファイバーを敷設することは必ずしも現実的ではありません。スモールセルがユーザーとの通信（「アクセス」）に使用する周波数をスモールセルとネットワーク（「バックホール」）間の通信に再利用することは、3GPPの5G標準の一部になります。SICを使用して実装すると、ローカルバックホール無線の送信信号はスモールセルの受信機でキャンセルされ、スモールセルの送信信号はローカルバックホール無線の受信機でキャンセルされます。ユーザーのデバイスやリモートバックホール無線に変更を加える必要はありません。このアプリケーションでのSICの使用は、Telecom Italia MobileとDeutsche Telekomによってフィールドテストに成功しています。^{[5] [6]}

SIC により、衛星リピーターは同じ周波数を再利用して、屋内、都会の谷間、その他の場所にカバレッジを拡張できます。このタイプのリピーターは、基本的に背中合わせに接続された 2 つの無線です。1 つの無線は衛星に面し、もう 1 つの無線は直接カバレッジ外の領域に面します。2 つの無線は信号を中継し (データ ビットの保存と転送ではなく)、フィードバックを防ぐために互いに分離する必要があります。衛星に面した無線は衛星をリッスンし、信号をリピートする送信機から分離する必要があります。同様に、屋内に面した無線は屋内ユーザーをリッスンし、衛星に信号をリピートする送信機から分離する必要があります。SIC は、各無線の送信信号を他の無線の受信機でキャンセルするために使用できます。

ケーブルネットワークは、従来、その容量のほとんどをダウンストリーム伝送に割り当ててきました。しかし、最近のユーザー生成コンテンツの増加により、アップストリーム容量の拡大が求められています。ケーブルラボは、各方向で最大 10 Gbit/s の速度で対称的なサービスを可能にするために、Full Duplex DOCSIS 3.1 標準を開発しました。DOCSIS 3.1 では、アップストリーム伝送とダウンストリーム伝送にガードバンドで区切られた異なる周波数が割り当てられています。Full Duplex DOCSIS は、隣接するチャネルでアップストリームチャネルとダウンストリームチャネルを混在させることができる新しいバンドを確立します。ヘッドエンドは、フルデュプレックスバンド全体での同時送受信をサポートする必要があり、これには SIC テクノロジが必要です。ケーブルモデムは、同じチャネルで同時に送受信する必要はありませんが、ヘッドエンドの指示に従ってアップストリームチャネルとダウンストリームチャネルの異なる組み合わせを使用する必要があります。^[7]

メッシュ ネットワークは、カバレッジを拡張 (家全体をカバー) したり、アドホック ネットワーク (緊急通信) に使用されます。ワイヤレス メッシュ ネットワークは、メッシュ トポロジを使用して必要なカバレッジを提供します。データは、宛先に到達するまで 1 つのノードから別のノードに移動します。単一の周波数を使用するメッシュ ネットワークでは、データは通常、保存して転送され、各ホップで遅延が追加されます。SIC を使用すると、ワイヤレス メッシュ ノードが周波数を再利用できるため、受信時にデータが再送信 (リレー) されます。「トライバンド」ルーターを使用する家全体の Wi-Fi ネットワークなど、複数の周波数を使用するメッシュ ネットワークでは、SIC によってチャネル選択の柔軟性を高めることができます。トライバンド ルーターには、クライアント デバイスと通信するための 2.4 GHz 無線と 5 GHz 無線が 1 つずつあり、2 つ目の 5 GHz 無線はノード間通信専用です。ほとんどのトライバンド ルーターは、干渉を最小限に抑えるために、同じ 80 MHz チャネルのペア (5 GHz 帯域の反対側) を使用します。 SIC を使用すると、トライバンド ルーターは、ネットワーク内および隣接ネットワーク間の調整に、5 GHz 帯域の 6 つの 80 MHz チャネルのいずれかを使用できるようになります。

軍隊では、戦術的な通信のために、同じ空、陸、または海のプラットフォームに複数の高出力無線機が必要になることがよくあります。これらの無線機は、干渉や敵の妨害に直面しても信頼性が高くなければなりません。SIC により、複数の無線機を同じプラットフォームで同時に操作できます。SIC は、軍用および車両用レーダーにも応用でき、レーダー システムは送信と受信を常に切り替えるのではなく、継続的に送信と受信を行うことができ、より高い解像度が得られます。これらの新しい機能は、戦術的な通信と電子戦にパラダイム シフトをもたらす可能性のある軍隊の潜在的な「超能力」として認識されています。^{[8] [9]}

米国の連邦通信委員会などの国の規制機関は、多くの場合、十分に活用されていないスペクトルの共有を許可することで、より多くのスペクトルリソースの必要性に対処しています。たとえば、数十億のWi-FiおよびBluetoothデバイスがISM バンドへのアクセスを競っています。スマートフォン、Wi-Fi ルーター、スマートホーム ハブは、同じデバイスで Wi-Fi、Bluetooth、およびその他のワイヤレス テクノロジーをサポートすることがよくあります。SIC テクノロジーにより、これらのデバイスは同じバンドで同時に 2 つの無線を操作できます。スペクトル共有は、5G システムの展開を開始する携帯電話業界にとって大きな関心事です。

有限のスペクトルリソースをより効率的に使用するために、アイドルチャネルを動的に選択する無線は、多くの研究の対象となっています。従来のスペクトル共有方式は、Listen-before-talk プロトコルに依存しています。ただし、2 つ以上の無線が同時に同じチャネルで送信することを選択した場合、衝突が発生します。衝突の検出と解決には時間がかかります。SIC は listen-while-talk を可能にし、衝突の即時検出と迅速な解決を保証します。^[10]

• 認知無線
• ドクシス
• デュプレックス（通信）
• メッシュネットワーク
• 連続干渉キャンセル

Y. Hua、Y. Ma、A. Gholian、Y. Li、A. Cirik、P. Liang、「送信ビームフォーミングによる無線自己干渉の除去、全アナログ キャンセル、およびブラインド デジタル チューニング」、Signal Processing、Vol. 108、322–340ページ、2015年。

• 3GPP 統合アクセスおよびバックホール
• CableLabs フルデュプレックス DOSCIS 3.1
• [1]
• ハリスコーポレーション
• IEEE 802.11 全二重トピックの関心グループ
• クムネットワーク