Digital self-interference cancellation for in-band full-duplex communication

Abstract

Bant İçi Tam Çift Yönlü (BİTÇY) iletişimin, geleneksel yarı çift yönlü ile karşılaştırıldığında, aynı frekans bandında eşzamanlı gönderme ve alma işlemlerine olanak sağlayarak spektral verimlilikte iki kat artış potansiyeline sahip yeni bir teknoloji olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, aynı radyodaki alıcıda yüksek düzeyde öz girişim (ÖG) oluştuğundan, bu kazancı elde etmek ve uzak radyodan gelen İstenen Sinyal'i (İS) başarılı bir şekilde çözmek için önemli miktarda ÖG giderimi gerekmektedir. Bu amaçla, BİTÇY radyolarda, literatürde anten düzeyinde ÖG giderimi, analog ÖG giderimi ve doğrusal ve doğrusal olmayan sayısal ÖG giderimi kullanılarak ÖG sinyalini bastırmak için çeşitli teknikler önerilmiştir. Bu tezde, Dikgen frekans bölmeli çoklama (DFBÇ) tabanlı kablosuz sistemler için doğrusal sayısal ÖG giderim teknikleri ve BİTÇY radyolardaki donanım bileşenlerinin neden olduğu doğrusal olmayan etkiler üzerinde çalışılmaktadır. DFBÇ, spektral verimliliği BİTÇY iletişim ile potansiyel olarak ikiye katlanabilen mevcut ve yeni nesil kablosuz sistemler için uygun bir dalga biçimidir. Ancak, DFBÇ tabanlı BİTÇY sistemlerde, temel bantta kullanılan doğrusal sayısal ÖG (SÖGG), döngüsel önek (DÖ) bölgesinde yeterli giderim sağlamamaktadır. İletişim kuran iki radyo arasındaki yayılma gecikmesi sıfır olmadığında, DÖ gürültüsü İS'nin veri bölgesini etkilemektedir. Bu tezin ilk kısmında, DFBÇ tabanlı BİTÇY radyolar için DÖ gürültü azaltma (DÖGA) tekniğini öneriyoruz. DÖGA çözümünde, zaman ve frekans alanlı SÖGG tekniklerindeki ÖG kanal kestirimi ve ÖG sinyali yeniden oluşturma iyileştirilmektedir. DÖGA'yı, Yazılım Tanımlı Radyo (YTR) tabanlı BİTÇY radyomuzda hem simülasyonlar hem de MATLAB ve FPGA uygulamaları aracılığıyla zaman ve frekans alanı SÖGG teknikleri ile değerlendirdik. Laboratuvar testlerinde, frekans alanlı SÖGG'de DÖGA kullanılarak BİTÇY radyonun toplam bastırılması 6 dB iyileştirildi ve çift yönlü iletişim için Hata Vektör Genliği (HVG), gerçekçi yayılma gecikmelerine için %5'e kadar iyileştirildi. Toplam bastırma ve HVG performansını iyileştirmeye ek olarak, DÖGA'nın SÖGG tekniklerinin çok yollu esnekliğini artırdığı da gösterilmiştir. Tezin ikinci kısmında, BİTÇY radyolarda yüksek gönderim güçlerindeki doğrusal olmayan problemi ele alarak yeni bir BİTÇY mimarisi ile zaman ve frekans alanında doğrusal olmayan kestirim algoritmaları önermekteyiz. Bu yeni mimaride, doğrusal olmayan ve doğrusal ÖG giderimi aşamaları bir RF anahtarı aracılığıyla izole edilmektedir, böylece doğrusal olmayan kestirim, doğrusal ÖG gideriminden ayrı olarak ve öncesinde gerçekleştirilebilmektedir. Önerilen alternatif kestirim algoritmalarından birinin ardından, doğrusal olmayan ÖG sinyali, doğrusal ÖG giderimi aşamasına referans olarak sağlanmaktadır. DFBÇ tabanlı BİTÇY YTR düzeneğinde elde edilen deneysel sonuçlarımız, toplam ÖG bastırım miktarının, son teknolojii entegre doğrusal ve doğrusal olmayan ÖG giderimi yöntemlerine göre 13 dB'ye kadar iyileştirildiğini göstermektedir. Ayrıca, çözümümüzde doğrusal olmayan kestirm, doğrusal ÖG kanal kestiriminden ayrıştırıldığından, model parametrelerinin yeniden optimize edilmesini gerektiren mevcut yöntemlerden farklı olarak, ÖG giderim performansı çok yollu ortamdaki değişikliklere karşı bağışıktır. Son olarak, sayısal DÖGG için kestirim yükü tamamıyla giderilmiş ve hesaplama karmaşıklığı, önerilen doğrusal olmayan kestirim algoritmalarıyla dört ila altı büyüklük sırasına kadar düşürülmüştür.

By allowing simultaneous transmit and receive operations in the same frequency band, In-Band Full-Duplex (IBFD) communication has been proven as a new technology with the potential of a two fold increase in spectral efficiency, as compared to the conventional half-duplex systems. However, as the transmitter creates a high level of self-interference (SI) at the receiver on the same radio, considerable amount of SI cancellation is required for achieving this gain and successfully decoding the signal-of-interest (SoI) arriving from the distant node. For this purpose, in IBFD radios, various SI cancellation techniques are proposed to suppress the SI signal by employing propagation domain antenna suppression, analog domain cancellation, and non-linear and linear digital SI cancellation in the literature. In this thesis, we study linear digital SI cancellation techniques and non-linearity problem induced by the hardware components on the IBFD radios, considering Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based wireless systems. OFDM is the pertinent waveform for current and next generation wireless systems, whose spectral efficiency can be potentially doubled by IBFD communication. However, in OFDM based IBFD systems, linear digital self-interference cancellation (DSIC) employed at baseband does not provide sufficient cancellation in the cyclic prefix (CP) region. When the propagation delay between two communicating radios is non-zero, the CP noise affects the data region of the desired signal. In the first part of this thesis, we propose CP noise reduction (CPNR) technique for OFDM based IBFD radios. In the CPNR solution, we enhance SI channel estimation and SI signal reconstruction for time and frequency DSIC techniques. We have evaluated CPNR with time and frequency domain DSIC via both simulations as well as MATLAB and FPGA implementations on our Software Defined Radio (SDR) based IBFD radio. In the laboratory tests, the total suppression of the IBFD radio is improved by 6 dB by employing CPNR in frequency-domain DSIC and EVM for bidirectional communication is improved by up to 5%, allowing realistic propagation delays. In addition to improving the total suppression and EVM performance, CPNR is also shown to enhance the multi-path resiliency of DSIC techniques. In the second part of the thesis, we consider the non-linearity problem in IBFD radios at high transmit power levels, and we propose a new architecture along with time and frequency domain non-linear estimation algorithms. In this architecture, non-linear and linear SI cancellation stages are isolated via an RF switch, so that non-linear estimation can be performed separately from and prior to linear SI cancellation. Following one of the alternative proposed estimation algorithms, the non-linear SI signal is obtained as a reference to linear SI cancellation. Our experimental results obtained on OFDM based IBFD SDR set-up demonstrate that the amount of total SI suppression is improved by up to 13 dB over state-of-the-art digital, integrated linear and non-linear SI cancellation schemes. Moreover, in our solution, since non-linear estimation is decoupled from SI channel estimation, the SI cancellation performance is immune to changes in the (multi-path) environment; unlike existing schemes, which require re-optimization of model parameters for each setting. Last but not least, estimation overhead for digital SI cancellation is eliminated, and computational complexity is lowered by four to six orders-of-magnitude with the proposed algorithms.