[论文解读] Wideband Full-Duplex Wireless via Frequency-Domain Equalization: Design and Experimentation

Tingjun Chen, Mahmood Baraani Dastjerdi+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 38被引用 9

一句话总结

本论文提出一种基于频域均衡（FDE）的宽带全双工无线系统，通过基于PCB的FDE自干扰消除器，在20 MHz带宽内实现了95 dB的整体自干扰消除（SIC），其中52 dB来自射频SIC，验证了在软件定义无线电（SDR）测试平台上的实验结果，系统具备高精度、自适应SIC能力，得益于基于优化的配置方案，实现了1.87倍的平均全双工链路增益，并在多节点网络中表现出鲁棒性能。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) wireless can significantly enhance spectrum efficiency but requires tremendous amount of self-interference (SI) cancellation. Recent advances in the RFIC community enabled wideband RF SI cancellation (SIC) in integrated circuits (ICs) via frequency-domain equalization (FDE), where RF filters channelize the SI signal path. Unlike other FD implementations, that mostly rely on delay lines, FDE-based cancellers can be realized in small-form-factor devices. However, the fundamental limits and higher layer challenges associated with these cancellers were not explored yet. Therefore, and in order to support the integration with a software-defined radio (SDR) and to facilitate experimentation in a testbed with several nodes, we design and implement an FDE-based RF canceller on a printed circuit board (PCB). We derive and experimentally validate the PCB canceller model and present a canceller configuration scheme based on an optimization problem. We then extensively evaluate the performance of the FDE-based FD radio in the SDR testbed. Experiments show that it achieves 95dB overall SIC (52dB from RF SIC) across 20MHz bandwidth, and an average link-level FD gain of 1.87x. We also conduct experiments in: (i) uplink-downlink networks with inter-user interference, and (ii) heterogeneous networks with half-duplex and FD users. The experimental FD gains in the two types of networks confirm previous analytical results. They depend on the users' SNR values and the number of FD users, and are 1.14x-1.25x and 1.25x-1.73x, respectively. Finally, we numerically evaluate and compare the RFIC and PCB implementations and study various design tradeoffs.

研究动机与目标

• 为解决在小型化设备中实现紧凑、宽带自干扰消除（SIC）的挑战，以适用于全双工（FD）无线系统。
• 设计并实现一种基于PCB的FDE自干扰消除器，以模拟集成电路（IC）级性能，用于实验验证和SDR集成。
• 开发一种基于优化的配置方案，以实现在真实世界动态环境中的自适应射频SIC。
• 利用SDR测试平台评估基于FDE的全双工无线电在节点、链路和网络场景下的系统级性能。
• 比较基于FDE的自干扰消除器在PCB与射频集成电路（RFIC）实现之间的性能表现与设计权衡。

提出的方法

• 采用印刷电路板（PCB）与离散元件设计全双工收发器，以模拟射频集成电路（RFIC）级的FDE自干扰消除器性能。
• 采用频域均衡（FDE）技术，结合可调谐、高品质因数的二阶带通滤波器（BPF），以模拟天线接口的频率选择性响应。
• 建立基于ABCD参数矩阵的PCB BPF真实模型，用于预测和验证自干扰消除器的频率响应特性。
• 提出一个优化问题（P2），用于配置FDE抽头增益与相位，以实现最大射频SIC，从而支持在动态环境中的自适应消除。
• 将PCB自干扰消除器与NI USRP SDR集成，实现实验环境中的实时多节点测试平台运行。
• 通过实验验证自干扰消除器模型，并基于实测与仿真数据，对比RFIC实现方案的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于PCB实现的FDE自干扰消除器能否实现与RFIC实现相当的高精度、宽带自干扰消除？
• RQ2 在真实世界、时变环境中，FDE自干扰消除器的最优配置方案是什么，以实现最大射频SIC？
• RQ3 与半双工系统相比，基于FDE的全双工无线电在链路级与网络级性能增益如何？
• RQ4 在SIC性能、面积与鲁棒性方面，PCB与RFIC实现方案在FDE自干扰消除器设计中存在哪些关键权衡？
• RQ5 FDE方法在异构网络中支持混合半双工与全双工用户时，其可扩展性如何？

主要发现

• 基于FDE的PCB自干扰消除器在20 MHz带宽内实现了95 dB的整体自干扰消除，其中52 dB来自射频SIC，43 dB来自数字SIC。
• 优化配置方案相比启发式方法将射频SIC性能提升了10 dB，验证了基于优化设计的有效性。
• 在受控实验中，系统实现了平均1.87倍的链路级全双工增益，证实了频谱效率的显著提升。
• 在存在用户间干扰的上行-下行链路网络中，全双工增益范围为1.14×至1.25×，具体取决于信噪比（SNR）和全双工用户数量。
• 在混合半双工与全双工用户的异构网络中，全双工增益范围为1.25×至1.73×，与理论分析预测一致。
• PCB实现方案在性能上与RFIC方案高度接近，SIC水平相当，且具备更高的鲁棒性与测试平台集成潜力。