[论文解读] Feasibility of In-band Full-Duplex Radio Transceivers with Imperfect RF Components: Analysis and Enhanced Cancellation Algorithms

Dani Korpi, Lauri Anttila+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2014

Full-Duplex Wireless Communications被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型联合增强非线性数字自干扰消除器，专用于同带全双工无线电收发器，明确建模并抑制了IQ不平衡与功率放大器引起的非线性失真。通过全面的波形仿真表明，所提出的方案显著优于传统的线性与广义线性消除方法，在高发射功率下仍能实现近乎SINR无关的性能，同时识别出发射机引起的热噪声是关键但此前被低估的损伤因素。

ABSTRACT

In this paper we provide an overview regarding the feasibility of in-band full-duplex transceivers under imperfect RF components. We utilize results and findings from the recent research on full-duplex communications, while introducing also transmitter-induced thermal noise into the analysis. This means that the model of the RF impairments used in this paper is the most comprehensive thus far. By assuming realistic parameter values for the different transceiver components, it is shown that IQ imaging and transmitter-induced nonlinearities are the most significant sources of distortion in in-band full-duplex transceivers, in addition to linear self-interference. Motivated by this, we propose a novel augmented nonlinear digital self-interference canceller that is able to model and hence suppress all the essential transmitter imperfections jointly. This is also verified and demonstrated by extensive waveform simulations.

研究动机与目标

• 分析在考虑实际射频损伤（包括此前被低估的发射机引起的热噪声）时，同带全双工收发器的可行性。
• 识别实际全双工系统中最具影响的失真分量，特别是IQ混叠与功率放大器非线性。
• 开发并评估一种新型数字消除算法，能够联合抑制多种非线性与I/Q损伤。
• 使用实际波形仿真（包含测量的信道参数与实际器件模型）进行全面的性能评估。

提出的方法

• 作者对全双工收发链路进行了实际射频损伤建模，包括IQ不平衡、功率放大器（PA）非线性以及发射机引起的热噪声。
• 提出一种新型增强非线性数字自干扰消除器，利用广义线性结构与有效非线性滤波，联合建模并消除IQ不平衡与PA引起的非线性失真。
• 该消除算法采用时域滤波结构，基于五阶以内的记忆多项式模型，整合了线性与非线性分量。
• 仿真采用16-QAM OFDM波形，包含64个子载波、48个数据子载波，带宽为12.5 MHz，信道估计基于校准期间采集的10,000个样本。
• 在相同条件下，将所提出的联合消除器性能与广义线性、非线性及传统线性消除方案进行对比。
• 自干扰信道的K因子设定为35.8 dB，基于实际测量结果；假设射频消除损耗为30 dB，以反映实际硬件约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 当考虑实际器件非理想性时，哪些是限制同带全双工收发器性能的主要射频损伤？
• RQ2 发射机引起的热噪声如何影响全双工系统中可实现的SINR？为何其作为关键因素常被先前研究忽略？
• RQ3 单一数字消除算法能否有效同时抑制IQ不平衡与功率放大器非线性？与分离或线性方法相比表现如何？
• RQ4 在高发射功率下，非线性失真与I/Q不平衡对广义线性消除方案的性能限制程度如何？
• RQ5 一种同时建模非线性与I/Q损伤的联合消除方案，其可实现的SINR性能如何？与理想无干扰情况相比接近程度如何？

主要发现

• 所提出的联合增强非线性消除器在发射功率低于15 dBm时，实现了接近理想的SINR性能（15 dB），优于广义线性与传统线性消除方法。
• 当发射功率超过15 dBm时，尽管广义线性方法在低功率下表现更优，但PA引起的非线性失真成为其性能的主要限制因素。
• 传统线性消除方法即使在最低发射功率下也未能达到15 dB SINR，而非线性消除方法仅对线性方法带来微弱改善。
• IQ不平衡与PA非线性被确认为两个最主要的失真分量，其中共轭自干扰是存在30 dB射频消除时的主要干扰源。
• 发射机引起的热噪声被证明是关键且此前被低估的损伤因素，限制了全双工系统性能的最终上限。
• 联合消除器显著降低了残留干扰，是实际全双工实现中在真实硬件约束下最有效的方案。