[论文解读] Spatial Self-Interference Isolation for In-Band Full-Duplex Wireless: A Degrees-of-Freedom Analysis

Evan Everett, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文使用基于天线理论的信道模型分析了同带全双工无线系统中的空间自干扰隔离，表明当服务用户散射体的角扩展与返回基站的散射体角扩展不重叠时，空间隔离才优于时分双工。关键贡献在于自由度分析，证明只有当散射体几何结构阻止干扰重叠时，空间隔离才具有优势。

ABSTRACT

The challenge to in-band full-duplex wireless communication is managing self-interference. Many designs have employed spatial isolation mechanisms, such as shielding or multi-antenna beamforming, to isolate the self-interference wave from the receiver. Such spatial isolation methods are effective, but by confining the transmit and receive signals to a subset of the available space, the full spatial resources of the channel be under-utilized, expending a cost that may nullify the net benefit of operating in full-duplex mode. In this paper we leverage an antenna-theory-based channel model to analyze the spatial degrees of freedom available to a full-duplex capable base station, and observe that whether or not spatial isolation out-performs time-division (i.e. half-duplex) depends heavily on the geometric distribution of scatterers. Unless the angular spread of the objects that scatter to the intended users is overlapped by the spread of objects that backscatter to the base station, then spatial isolation outperforms time division, otherwise time division may be optimal.

研究动机与目标

• 分析全双工系统中的空间自干扰隔离是否能为频谱效率带来相对于时分双工的净增益。
• 研究散射体几何结构对全双工基站中空间隔离技术有效性的影响。
• 量化不同散射体分布下全双工基站可用的空间自由度。
• 确定在何种几何条件下，空间隔离在自由度方面优于时分双工。
• 形式化大规模MIMO与全双工系统中空间隔离与空间复用之间的权衡。

提出的方法

• 使用基于天线理论的物理信道模型来表征全双工基站及其自干扰信道。
• 应用自由度分析以评估全双工工作状态下系统的空间复用能力。
• 将自干扰信道建模为具有闭合值域的线性算子，从而可使用Moore-Penrose广义逆和正交分解。
• 将信号空间分解为信道的零空间与信号子空间的原像，以推导原像的维数。
• 推导出关键结果：原像空间的自由度等于零空间维数与信号子空间和信道值域交集维数之和。
• 采用线性代数工具，包括正交投影和广义逆性质，以证明主要理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种几何条件下，全双工系统中的空间自干扰隔离优于时分双工？
• RQ2 影响目标用户信号的散射体角扩展与影响反向散射自干扰的角扩展相比如何？
• RQ3 在不同散射体配置下，全双工基站最多可获得多少空间自由度？
• RQ4 当空间隔离技术消耗了本可用于复用的空间资源时，能否实现频谱效率的净增益？
• RQ5 全双工系统中，信道零空间与信号子空间原像之间的理论关系是什么？

主要发现

• 只有当服务用户散射体的角扩展与返回基站的散射体角扩展不重叠时，空间自干扰隔离才优于时分双工。
• 当服务用户散射体的角扩展与自干扰路径的角扩展重叠时，由于空间隔离消耗资源，时分双工可能为最优。
• 全双工基站可用的自由度由零空间维数与信号子空间和信道值域交集维数之和决定。
• 理论框架证明，信道算子下信号子空间原像的维数等于零空间维数与信道值域内信号子空间维数之和。
• 分析表明，尽管空间隔离技术能有效抑制直射路径干扰，但在丰富的散射环境中可能因空间资源有限而表现不佳。
• 结果表明，在反向散射环境中，通道感知波束成形对于有效抑制直射路径和多径自干扰至关重要。