[论文解读] Low Complexity Full Duplex MIMO: Novel Analog Cancellation Architectures and Transceiver Design

George C. Alexandropoulos, Melissa Duarte|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 24被引用 3

一句话总结

本文提出两种低复杂度的全双工MIMO系统模拟自干扰消除架构：一种使用较少的模拟抽头，另一种使用辅助（AUX）发射机，两者均与复用/解复用（MUX/DEMUX）集成以实现高效的信号路由。关键贡献是一个联合优化框架，协同设计模拟取消器与数字波束成形器，分别实现高达60 dB和35 dB的模拟干扰消除，同时相比传统方法显著降低了硬件复杂度。

ABSTRACT

Incorporating full duplex operation in Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems provides the potential of boosting throughput performance. However, the hardware complexity of the analog self-interference canceller in emerging full duplex MIMO designs mostly scales with the number of transmit and receive antennas, thus exploiting the benefits of analog cancellation becomes impractical for full duplex MIMO transceivers, even for moderate number of antennas. In this paper, we present two novel architectures for the analog canceller comprising of reduced number of cancellation elements, compared to the state of the art, and simple multiplexers for efficient signal routing among the transmit and receive radio frequency chains. One architecture is based on analog taps (tap refers to a line of fixed delay, variable phase shifter, and attenuator) and the other on AUXiliary (AUX) Transmitters (TXs) that locally generate the cancellation signal. In contrast to the available analog cancellation architectures, the values for each tap or each AUX TX and the configuration of the multiplexers are jointly designed with the digital transmit and receive beamforming filters according to certain performance objectives. Focusing on a narrowband flat fading channel model as an example, we present a general optimization framework for the joint design of analog self-interference cancellation and digital beamforming. We also detail the sum rate optimization objective together with its derived solution for the latter architectural components. Representative computer simulation results demonstrate the superiority both in terms of hardware complexity and achievable performance of the proposed low complexity full duplex MIMO schemes over the lately available ones.

研究动机与目标

• 为解决全双工MIMO系统中模拟自干扰（SI）消除的高硬件复杂度问题，该复杂度随发射和接收天线数量的增加而增长。
• 减少全双工MIMO收发器中实现有效SI抑制所需的取消元件（抽头或AUX TX）数量。
• 开发一种联合设计框架，协同优化模拟取消器参数与数字波束成形滤波器，以提升频谱效率。
• 通过最小化硬件成本与复杂度，同时保持高性能，实现全双工MIMO的实用化部署。

提出的方法

• 提出一种新型基于抽头的模拟取消器架构，使用较少的抽头数量，且独立于发射和接收天线数量，通过MUX/DEMUX实现信号路由。
• 提出一种基于AUX TX的取消器架构，其中辅助发射机数量被最小化，且不与天线数量成比例。
• 开发一种通用优化框架，在窄带平坦衰落信道模型下，联合设计模拟取消器参数（抽头增益或AUX TX系数）与数字波束成形滤波器。
• 采用和速率最大化的目标函数，并推导出波束成形与取消器参数的闭式解，实现高效计算。
• 对硬件损伤进行建模，包括抽头中的相位与幅度误差（±0.065°相位，±0.01 dB幅度）以及AUX TX链路中的相位噪声（0.717°抖动），以反映实际限制。
• 采用理想取消矩阵的噪声版本，$\widehat{\mathbf{C}}_k$，其中包含来自抽头的随机误差或AUX TX中相位不匹配引起的误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在全双工MIMO系统中实现模拟自干扰消除，且所需硬件元件数量显著少于现有技术（后者随天线数量增长）？
• RQ2 如何通过联合设计模拟取消器与数字波束成形器来提升频谱效率，同时降低硬件复杂度？
• RQ3 在存在真实硬件损伤（如抽头中的相位与幅度误差，或AUX TX中的相位噪声）的情况下，可实现的模拟干扰消除性能（以dB计）是多少？
• RQ4 与传统设计相比，所提出的架构在非理想硬件条件下如何保持高性能？

主要发现

• 所提出的基于抽头的架构在存在±0.065°相位误差和±0.01 dB幅度误差等硬件损伤的情况下，每个抽头仍可实现约60 dB的模拟自干扰消除。
• 基于AUX TX的架构在存在0.717°抖动的现实相位噪声条件下，每个辅助发射机可实现约35 dB的模拟干扰消除。
• 所需抽头或AUX TX的数量可基于成本、尺寸或性能约束离线选择，从而实现灵活的系统设计。
• 仿真结果表明，与现有全双工MIMO方案相比，本方案在频谱效率和硬件复杂度方面均表现出优越性能。
• 联合优化框架成功平衡了模拟干扰消除与数字波束成形，避免了为抑制自干扰而牺牲空间自由度。
• MUX/DEMUX的使用在两种架构中均实现了高效的信号路由，减少了复杂互连需求，进一步降低了硬件成本。