[论文解读] Full Duplex Integrated Access and Backhaul for 5G NR: Analyses and Prototype Measurements

Gee Yong Suk, Soo-Min Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Full-Duplex Wireless Communications被引用 7

一句话总结

本文提出在5G NR中采用全双工集成接入与回传（FD IAB）以提升频谱效率并降低回传成本，通过在同一频段上实现上行链路与下行链路的并发传输。利用方向性天线和28 GHz频段的硬件原型测量，作者实现了高达82.18 dB的自干扰抑制，验证了FD IAB作为未来5G网络中可行且高性能解决方案的潜力。

ABSTRACT

Integrated access and backhaul (IAB) frameworks for 5G new radio (NR) as a cost-effective alternative to the wired backhaul have been investigated by 3GPP. A promising solution for this framework is the integration of full duplex (FD) technologies to enhance the spectral efficiency and make an efficient use of the network resources-termed FD IAB. However, FD IAB presents significant technical challenges, such as self-interference (SI) in the IAB framework, which may cast doubt over the feasibility of FD IAB. In this article, we present a brief tutorial of the FD IAB framework and its enabling technologies. We then numerically evaluate and discuss the link-level SI reduction and the system-level downlink throughput performance of the FD IAB. Finally, we validate the feasibility of FD IAB using 28 GHz hardware prototype measurements of propagation-domain SI suppression. Our numerical evaluations and prototype measurements confirm that the FD IAB serves as a promising framework for 5G NR.

研究动机与目标

• 通过提出一种利用集成接入与回传（IAB）的低成本替代方案，解决密集5G NR网络中光纤回传带来的高资本支出/运营支出（CAPEX/OPEX）问题。
• 克服全双工（FD）IAB系统中自干扰（SI）带来的关键挑战，该挑战威胁系统性能与可行性。
• 评估在真实5G NR场景下，FD IAB的链路级自干扰抑制性能与系统级下行链路吞吐量表现。
• 通过28 GHz频段的硬件原型测量，验证FD IAB的可行性，重点聚焦于传播域自干扰抑制。
• 证明定向波束成形与天线分离可实现足够高的自干扰抑制，满足实际部署需求。

提出的方法

• 设计并实现一个使用单天线射频链路（14位DAC与12位ADC用于基带处理）的28 GHz全双工IAB节点原型。
• 采用高增益透镜天线（19.86 dBi，3.4°波束宽度）以增强方向性，并通过空间隔离抑制干扰。
• 在不同天线间距（0.1 m至2 m）和相对方位角下，开展自干扰功率的硬件测量。
• 通过用户设备（DU）与移动终端（MT）之间的同步通信，将接收信号强度作为自干扰的代理指标。
• 应用模拟波束成形技术，集中发射能量，减少泄漏至接收路径。
• 将实测自干扰抑制性能与仿真结果进行对比，承认环境差异（如反射体与吸波材料，例如金属杆）的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与半双工IAB相比，全双工集成接入与回传（FD IAB）是否能显著提升5G NR中的频谱效率？
• RQ2 在28 GHz FD IAB系统中，通过天线分离与高方向性，自干扰可被抑制到何种程度？
• RQ3 在28 GHz频段实测的自干扰抑制性能与子6 GHz频段先前工作的表现相比如何？
• RQ4 在真实系统级场景中，FD IAB可实现的下行链路吞吐量性能如何？
• RQ5 硬件原型测量是否能证实FD IAB在实际5G NR部署中的可行性？

主要发现

• 在0.1 m天线间距下，仅通过方向性天线与路径损耗，原型实现了平均82.18 dB的自干扰抑制。
• 在1 m间距时，实测抑制达到97.26 dB；在2 m间距时，提升至100.125 dB，表明距离与路径损耗具有显著影响。
• 在0.5 m间距下，使用吸波屏蔽与交叉极化天线，28 GHz原型实现了73.8 dB的抑制性能，优于先前2.4 GHz频段的测量结果。
• 实测结果证实，传播域自干扰抑制在毫米波FD IAB系统中具有可行性。
• 数值评估表明，与半双工IAB相比，FD IAB在密集5G NR部署中可实现更高的频谱效率与下行链路吞吐量。
• 本研究证实，只要通过空间与硬件技术有效抑制自干扰，FD IAB即为未来5G NR的可行且有前景的解决方案。