[论文解读] Measurement-driven Evaluation of All-digital Many-antenna Full-duplex Communication.

Evan Everett, Clayton Shepard+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 34被引用 3

一句话总结

本文提出 SoftNull，一种用于多天线系统的全数字全双工方法，通过数字波束成形抑制自干扰，随后对残留干扰进行数字取消。在72元阵列上评估，SoftNull 在用户密度高的小型蜂窝中显著优于半双工，通过高效管理动态范围，实现了上下行链路的同时传输。

ABSTRACT

In this paper, we present and study an all-digital method, called \softNull, to enable full-duplex in many-antenna systems. Unlike most designs that rely on analog cancelers to suppress self-interference, SoftNull relies on digital transmit beamforming to reduce self-interference. SoftNull does not attempt to perfectly null self-interference, but instead seeks to reduce self-interference sufficiently to prevent swamping the receiver's dynamic range. Residual self-interference is then cancelled digitally by the receiver. We evaluate the performance of SoftNull using measurements from a 72-element antenna array in both indoor and outdoor environments. We find that SoftNull can significantly outperform half-duplex for small cells operating in the many-antenna regime, where the number of antennas is many more than the number of users served simultaneously.

研究动机与目标

• 为解决全双工多天线系统中的自干扰问题，特别是在用户密度高的小型蜂窝中。
• 消除对模拟取消器的依赖，因为其在大规模天线阵列中复杂且占用面积大。
• 开发一种可扩展的全数字解决方案，将自干扰降低至数字处理可管理的水平。
• 在真实的小型室内和室外传播环境中评估所提方法的性能。
• 证明当自干扰得到有效管理时，全双工操作在多天线系统中可实现比半双工更高的频谱效率。

提出的方法

• SoftNull 使用数字波束成形来调整辐射图，使自干扰功率在接收端阵列处降低。
• 与完美零点成形不同，SoftNull 的目标是将自干扰抑制到足够低的水平，以防止接收机动态范围饱和。
• 利用自适应滤波技术，在基带接收端对残留自干扰进行数字取消。
• 该方法完全在数字域实现，避免了对模拟取消器或复杂射频校准的需求。
• 系统使用在室内和室外环境中采集的真实世界信道测量数据，基于72元大规模MIMO阵列进行评估。
• 通过在相同条件下对比全双工与半双工操作的频谱效率和用户吞吐量，评估系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 全数字波束成形方法是否能在无需模拟取消的情况下，有效抑制多天线全双工系统中的自干扰？
• RQ2 在高天线密度阵列的小型蜂窝环境中，SoftNull 与半双工操作相比性能如何？
• RQ3 数字波束成形在多大程度上能将自干扰降低至可被数字处理取消的水平？
• RQ4 系统在包括室内和室外场景在内的多样化传播环境中表现如何？
• RQ5 在使用 SoftNull 的多天线系统中，全双工相比半双工可实现多大的频谱效率增益？

主要发现

• SoftNull 有效将自干扰降低至接收机动态范围未饱和的水平，从而实现可靠的全双工操作。
• 在室内和室外环境中，SoftNull 在小型蜂窝中均显著提升了频谱效率，优于半双工操作。
• 在天线数量远超同时用户数的多天线阵列场景中，该方法优于半双工。
• 数字波束成形后的残留自干扰可通过数字信号处理有效取消，证实了混合方法的可行性。
• 全数字实现避免了模拟取消器带来的硬件复杂性和校准挑战，实现了可扩展性。
• 72元阵列的实测结果验证了 SoftNull 在真实传播条件下的鲁棒性和性能表现。