[论文解读] Open-Access Full-Duplex Wireless in the ORBIT Testbed

Tingjun Chen, Mahmood Baraani Dastjerdi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 10被引用 13

一句话总结

本论文首次在ORBIT测试平台中实现了开放获取、可远程访问的全双工（FD）无线收发器，支持全双工通信的跨层实验。通过将软件定义无线电（USRP N210）与自研RF自干扰消除器（Gen-1）结合，后者在5 MHz带宽内实现40 dB的RF干扰消除，系统通过RF域与基带数字域联合消除，在简单信号和PSK调制信号下分别实现了90 dB和85 dB的整体自干扰消除（SIC）。

ABSTRACT

In order to support experimentation with full-duplex (FD) wireless, we recently integrated an open-access FD transceiver in the ORBIT testbed. In this report, we present the design and implementation of the FD transceiver and interfaces, and provide examples and guidelines for experimentation. In particular, an ORBIT node with a National Instruments (NI)/Ettus Research Universal Software Radio Peripheral (USRP) N210 software-defined radio (SDR) was equipped with the Columbia FlexICoN Gen-1 customized RF self-interference (SI) canceller box. The RF canceller box includes an RF SI canceller that is implemented using discrete components on a printed circuit board (PCB) and achieves 40dB RF SI cancellation across 5MHz bandwidth. We provide an FD transceiver baseline program and present two example FD experiments where 90dB and 85dB overall SI cancellation is achieved for a simple waveform and PSK modulated signals across both the RF and digital domains. We also discuss potential FD wireless experiments that can be conducted based on the implemented open-access FD transceiver and baseline program.

研究动机与目标

• 在真实世界测试平台环境中，实现开放获取、可远程访问的全双工（FD）无线通信实验。
• 通过将硬件RF消除器与软件定义无线电（SDR）平台集成，解决FD系统中自干扰（SI）的关键挑战。
• 提供基线软件框架与示例实验，以促进物理层与介质访问控制（MAC）层全双工无线通信的研究。
• 通过在标准化测试平台中集成RF域与数字域自干扰消除（SIC），支持跨层实验。
• 通过扩展ORBIT测试平台，增加具备FD能力的节点，以实现FD网络协议与算法的可扩展、可复现评估。

提出的方法

• 将自研的Columbia FlexICoN Gen-1 RF自干扰（SI）消除器装置——包含离散元件RF消除器、同轴环形器、天线调谐器及SUB-20控制器——集成至搭载USRP N210 SDR的ORBIT节点上。
• 通过印刷电路板（PCB）实现的频率平坦幅度与相位基RF消除器，在5 MHz带宽内实现40 dB的RF SI消除。
• 结合基带数字SIC，利用GNU Radio与UHD软件框架实现，支持实时与离线处理。
• 设计了基线FD收发器程序，支持两种实验模式：一种使用UHD实现90 dB整体SIC，另一种使用GNU Radio实现PSK信号下85 dB整体SIC。
• 通过ORBIT测试平台基础设施，实现对FD收发器的远程访问与控制，支持可复现、可扩展的实验。
• 提供基线程序与硬件配置的开源代码及教程，以支持社区采纳与扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否成功将具备高效自干扰消除能力的全双工无线收发器集成至ORBIT等广泛使用的开放获取测试平台？
• RQ2 在SDR平台上结合RF域与数字域消除后，可实现的整体自干扰消除（SIC）水平达到何种程度？
• RQ3 自干扰消除器在不同信号类型（如简单波形与PSK调制信号）下的性能表现如何？
• RQ4 在外部RF消除器支持下，于软件定义无线电平台上实现全双工通信的实际限制与性能权衡为何？
• RQ5 该开放获取FD收发器平台可支持哪些高层实验（如MAC协议、OFDM、异构网络等）？

主要发现

• 所实现的RF消除器装置在5 MHz带宽内实现了40 dB的自干扰消除，有效抑制了强自干扰信号，为数字处理创造了有利条件。
• 使用基于UHD的基线程序，系统在简单波形下实现了90 dB的整体自干扰消除，其中RF域贡献40 dB，数字域贡献50 dB。
• 使用基于GNU Radio的基线程序，系统在PSK调制信号下实现了85 dB的整体自干扰消除，其中RF域贡献43 dB，数字域贡献42 dB。
• FD收发器成功在自干扰音调1 MHz偏移处恢复了目标信号，证明了同时收发的可行性。
• 在0 dBm发射功率下，系统将消除性能降至USRP接收机噪声底限，表明对自干扰信号的有效抑制。
• 开放获取的FD收发器与基线软件支持远程、可复现的全双工无线实验，为未来MAC协议、OFDM及异构网络的研究提供支持。