[论文解读] A Linearization Technique for Self-Interference Cancellation in Full-Duplex Radios

Arjun Nadh, Joseph Samuel+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 17被引用 8

一句话总结

本文提出了一种线性化技术，将全双工无线电中的自干扰（SI）建模为发射信号及其一阶导数的线性组合，从而将自干扰信道估计问题简化为仅两个参数（C₀ 和 C₁）。通过在室内环境中进行实验验证，该方法实现了高精度、低复杂度的自干扰消除——最高可达 75 dB 的消除性能，使紧凑高效的全双工收发器适用于终端用户设备。

ABSTRACT

The fundamental problem in the design of a full-duplex radio is the cancellation of the self-interference (SI) signal generated by the transmitter.Current techniques for suppressing SI rely on generating a copy of the SI signal and subtracting it partly in the RF (radio frequency) and digital domains. A critical step in replicating the self-interference is the estimation of the multi-path channel through which the transmitted signal propagates to the antenna. Since there is no prior model on the number of multipath reflections, current techniques assume a tap delay line filter (in the RF and digital domain) with a large number of taps, and estimate the taps in the analog and the digital domain. Assuming such a model leads to a large form-factor for the analog and RF circuits and increased complexity in the digital domain. In this paper, using a linearization technique, we show that the self-interference channel in an indoor environment can be effectively modelled as $H(f)=C_0 + C_1f$ in the frequency domain. Thus, the effective self-interference channel can be represented by two parameters $C_0$ and $C_1$, irrespective of the multipath environment. We also provide experimental evidence to verify the above channel model and propose novel low-complexity designs for self-interference cancellation. Linearization not only aids in the practicality of analog cancellation by reducing the form factor, but also results in a simpler SI filter model in the digital domain due to dimensionality reduction of the channel parameters. Therefore this method can enable the widespread adoption of full-duplex techniques to portable devices in addition to infrastructure base-stations.

研究动机与目标

• 解决全双工无线电中高维、时变多径自干扰的挑战。
• 克服传统抽头延迟线模型中未知抽头数量估计的复杂性。
• 开发一种低复杂度、可扩展的自干扰消除架构，适用于紧凑型设备。
• 验证室内环境中自干扰信道在频域中可准确建模为 H(f) = C₀ + C₁f。
• 通过参数减少简化射频和基带域消除，实现实际的全双工操作。

提出的方法

• 使用泰勒级数近似，将自干扰信道在频域中建模为线性函数 H(f) = C₀ + C₁f。
• 利用该线性模型，无论多径丰富程度如何，仅用两个参数（C₀ 和 C₁）表示有效 SI 信道。
• 使用向量调制器实现模拟域消除，以抵消基带信号及其导数分量。
• 在基带域使用已知的发射信号及其导数（x(nT), x′(nT), x′′(nT)）实施数字域消除。
• 利用采样相位偏移 δ 较小的特性，通过 x(nT)、x′(nT) 和 x′′(nT) 近似表示 I(nT+δ)。
• 结合模拟与数字消除级，抑制自干扰的信号及其导数分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室内全双工环境中，自干扰信道是否可仅用两个参数有效建模？
• RQ2 自干扰信道的线性近似（H(f) = C₀ + C₁f）是否能准确表示实际多径传播？
• RQ3 发射信号的导数分量是否能显著提升消除性能？
• RQ4 与传统的多抽头延迟线模型相比，所提出的线性化技术如何降低估计复杂度？
• RQ5 仅使用信号及其一阶和二阶导数进行基带域处理，可实现多高的消除性能？

主要发现

• 室内环境中自干扰信道在频域中可被线性模型 H(f) = C₀ + C₁f 良好近似。
• 实验结果证实，发射信号的导数分量对自干扰有显著贡献，二阶导数可带来高达 6 dB 的消除增益。
• 由于向量调制器的相位和幅度分辨率固定，模拟消除在不同发射功率水平下保持近似恒定。
• 数字消除性能随发射功率增加而提升，直至约 5 dBm，之后因功率放大器非线性而下降。
• 对于 20 MHz 带宽下的 OFDM 和单载波单元，总消除性能均达到约 75 dB。
• 所提方法显著降低了参数估计复杂度，使其适用于低功耗、紧凑型全双工设备。