[论文解读] Analog Baseband Cancellation for Full-Duplex: An Experiment Driven Analysis

Brett A. Kaufman, J. Lilleberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2013

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 21被引用 7

一句话总结

本文提出一种模拟基带自干扰消除技术，通过在射频（RF）自干扰消除后进一步抑制残留自干扰，从而提升全双工无线通信性能。基于四层贴片天线原型，作者推导出基带模型，并证明将被动射频隔离与模拟基带消除相结合，可使频谱效率提高最多2.4 bps/Hz，误码率（BER）降低10⁴，优于仅使用射频消除的窄带、高隔离方案，性能更优。

ABSTRACT

Recent wireless testbed implementations have proven that full-duplex communication is in fact possible and can outperform half-duplex systems. Many of these implementations modify existing half-duplex systems to operate in full-duplex. To realize the full potential of full-duplex, radios need to be designed with self-interference in mind. In our work, we use a novel patch antenna prototype in an experimental setup to characterize the self-interference channel between transmit and receive radios. We derive an equivalent analytical baseband model and propose analog baseband cancellation techniques to complement the RF cancellation provided by the patch antenna prototype. Our results show that a wide bandwidth, moderate isolation scheme achieves up to 2.4 bps/Hz higher achievable rate than a narrow bandwidth, high isolation scheme. Furthermore, the analog baseband cancellation yields a 10-10,000 improvement in BER over RF only cancellation.

研究动机与目标

• 设计并评估一种模拟基带自干扰消除技术，以补充全双工系统中的射频（RF）自干扰消除。
• 利用四层贴片天线原型表征实际空中自干扰信道。
• 比较全双工通信中宽带、中等隔离方案与窄带、高隔离方案的性能。
• 量化基带消除对误码率（BER）和可实现频谱效率的影响。
• 通过识别带宽、隔离度与消除性能之间的最优权衡，为未来全双工收发机设计提供指导。

提出的方法

• 基于四层贴片天线原型构建了实验全双工测试平台，用于测量实际空中自干扰信道。
• 从实测射频数据中推导出自干扰信道的基带等效模型，实现对干扰信号的解析表征。
• 实现了两种消除方案：被动射频隔离（PS）和主动射频消除（AC），二者均与模拟基带消除（B）结合使用。
• 在基带阶段进行信道估计，以生成与残留自干扰信号相位和幅度匹配的消除信号。
• 通过误码率（BER）和可实现速率指标，评估不同信号功率和带宽条件下PS+B与AC+B方案的性能。
• 比较了带宽为10 MHz的宽带中等隔离方案与带宽为500 kHz的窄带高隔离方案，以评估频谱效率和干扰抑制性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 模拟基带消除如何在仅使用射频消除的基础上进一步提升残留自干扰抑制性能？
• RQ2 带宽和隔离度水平对采用射频-基带混合消除的全双工系统性能有何影响？
• RQ3 被动射频隔离与模拟基带消除相结合对误码率（BER）和频谱效率有何影响？
• RQ4 在真实全双工场景中，基带消除相比仅使用射频消除可带来多大的可实现速率增益？
• RQ5 在设计权衡中，采用宽带与中等隔离的方案，还是窄带与高隔离的方案，能实现更优的全双工性能？

主要发现

• 在高信噪比条件下，PS+B方案的可实现速率比AC+B方案最高提升2.4 bps/Hz。
• 与仅使用射频消除相比，模拟基带消除使误码率降低了10¹至10⁴倍，尤其在接收信号功率较低时增益最大。
• 在接收信号功率为-50 dBm时，误码率改善达到10⁴，表明在弱信号条件下具有显著的可靠性提升。
• 当带宽超过2 MHz时，由于窄带射频消除的有效性降低，宽带中等隔离方案优于窄带高隔离方案。
• 在10 MHz带宽下，基带消除与被动射频结合可获得8 dB增益；而在500 kHz带宽下，相同方案与主动射频消除结合时增益达13 dB。
• 在所有调制阶数下，PS+B方案均优于AC+B方案，且QPSK与16-PSK之间的性能差距仅为4 dB，而标准衰落信道中该差距为8–9 dB。