[论文解读] In-Band Full-Duplex Wireless: Challenges and Opportunities

Ashutosh Sabharwal, Philip Schniter+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2013

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 107被引用 26

一句话总结

本文全面介绍了带内全双工（IBFD）无线通信，聚焦于自干扰抑制这一核心挑战。分析了需要超过100 dB的自干扰抑制，识别出ADC动态范围和硬件损伤为关键瓶颈，并回顾了混合模拟/数字抑制技术，表明14位ADC（11 ENOB）在考虑峰均功率比（PAPR）和量化损失后，有效动态范围仅约52 dB，导致残留干扰比噪声 floor 高约52 dB。

ABSTRACT

In-band full-duplex (IBFD) operation has emerged as an attractive solution for increasing the throughput of wireless communication systems and networks. With IBFD, a wireless terminal is allowed to transmit and receive simultaneously in the same frequency band. This tutorial paper reviews the main concepts of IBFD wireless. Because one the biggest practical impediments to IBFD operation is the presence of self-interference, i.e., the interference caused by an IBFD node's own transmissions to its desired receptions, this tutorial surveys a wide range of IBFD self-interference mitigation techniques. Also discussed are numerous other research challenges and opportunities in the design and analysis of IBFD wireless systems.

研究动机与目标

• 为解决带内全双工（IBFD）无线系统中，终端自身传输严重劣化其接收性能的根本挑战。
• 分析模拟到数字转换器（ADC）动态范围在数字域自干扰抑制背景下的实际限制。
• 综述并评估广泛的自干扰抑制技术，包括模拟、数字和混合方法，以识别实现实用IBFD运行的可行路径。
• 突出在物理层、介质访问控制层和网络层实现IBFD于下一代无线网络中的开放研究挑战。
• 为研究人员和工程师提供基础性概述，以设计在现实世界中可行的频谱高效全双工无线系统。

提出的方法

• 提出一种结合模拟域与数字域技术的混合自干扰抑制框架，以在信号到达ADC前抑制主导的自干扰信号。
• 使用公式 $6.02(\text{ENOB} - 2)$ dB 分析ADC的有效动态范围，该公式考虑了余量 headroom、PAPR 和量化误差，即使在完美数字抑制后仍限制性能。
• 将残留干扰底限建模为比自干扰功率低 $6.02(\text{ENOB} - 2)$ dB，附加项为 $-\text{PAPR}_{x} - 7$ dB，该结果源自信干噪比（SINR）分析。
• 使用ADC输入端的信号模型 $x = d + s + n$，其中 $d$ 为期望信号，$s$ 为自干扰，$n$ 为噪声，并分析完美数字抑制后的SINR：$\text{SINR} = \sigma_d^2 / (\sigma_n^2 + \sigma_e^2)$，其中 $\sigma_e^2 = \sigma_n^2 / 4$。
• 证明使用14位ADC（11 ENOB）时，有效动态范围约为54.2 dB，但由于PAPR和量化损失，即使在完美抑制后，残留干扰底限仍被限制在约52 dB以上噪声电平。
• 评估相位噪声、IQ失配和功率放大器非线性等硬件损伤对系统性能的影响，表明它们进一步限制了可实现的抑制性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 与半双工系统相比，带内全双工（IBFD）在频谱效率上的根本增益是多少？实现该增益的实际障碍有哪些？
• RQ2 为何自干扰是IBFD运行的主要障碍？在典型蜂窝网络部署中，需要多高的抑制水平？
• RQ3 ADC动态范围和峰均功率比（PAPR）如何限制数字域自干扰抑制的性能？
• RQ4 在IBFD系统中，实际ADC的有效动态范围是多少？它如何限制抑制后的残留干扰底限？
• RQ5 在高动态范围IBFD系统中，哪些混合模拟/数字抑制策略最有效地克服纯数字抑制的局限性？

主要发现

• 在微微蜂窝系统中，自干扰功率比接收机噪声底限高约106 dB，需抑制超过100 dB才能达到半双工性能。
• 即使在完美数字域自干扰抑制下，14位ADC（11 ENOB）的残留干扰底限仍受ADC量化和噪声限制，约为噪声底限以上52 dB。
• IBFD系统中ADC的有效动态范围约为 $6.02(\text{ENOB} - 2)$ dB，当ENOB为11时，约为54.2 dB，但5 dB的PAPR使可用动态范围减少约12 dB，导致净惩罚约52 dB。
• 残留干扰底限受约束于 $\overline{\text{SINR}}|_{\rm dB} = \frac{\sigma_d^2}{\sigma_s^2}|_{\rm dB} + 6.02\text{ENOB} - \text{PAPR}_{x}|_{\rm dB} - 7$ dB，表明即使在完美抑制下，性能仍受硬件限制。
• 理论与实际IBFD性能之间的差距主要源于ADC限制和硬件损伤，在示例系统中观察到52 dB的差距，表明需超过100 dB的抑制才能实现半双工性能。
• 分析表明，14位ADC（11 ENOB）搭配5 dB PAPR时，残留干扰底限约为噪声以上52 dB，等效于有效分辨率损失2位，严重限制系统性能。