Nonlinear digital self-interference cancellation for full duplex communication

Abstract

Tam çift yönlü (TÇY) iletişim, yarı çift yönlü iletişimle aynı bant genişliğini işgal ederken kablosuz bağlantıların veri hacmini iki katına çıkarma potansiyeline sahiptir. TÇY iletişimini etkinleştirmek için, öz-girişim (ÖG) sinyali gürültü tabanına kadar bastırılmalıdır. ÖG giderimi, anten bastırması, aktif analog giderimi ve sayısal giderim yoluyla elde edilebilir. Yüksek gönderim gücü seviyelerinde, alıcı-verici donanımının doğrusal olmayan davranışları, doğrusal ÖG kanal kestirimini bozar, dolayısıyla sayısal ÖG giderimi de bozulur ve azaltılmış toplam giderim ile sonuçlanır. Bu tezde, sadece doğrusal sayısal ÖG giderimini içeren bir TÇY radyonun kalan ÖG sinyalinin genelleştirilmiş bir analitik modeli elde edilmiş, literatürdeki doğrusal olmayan sayısal ÖG giderimi çözümleri gözden geçirilerek, iç içe ve kalan yaklaşımlarını içeren, kapsamlı bir entegre doğrusal ve doğrusal olmayan sayısal ÖG giderimi çerçevesi sunulmuştur. Önerilen çözümde, bellekli polinom, destek vektör bağlanımı (DVB) ve ortonormalizasyon dönüşümüyle en küçük ortalama kareler (EKOK) doğrusal olmayan algoritmaları entegre çerçevede doğrusal giderimle birlikte uygulanmıştır. Alternatif olarak, doğrusal bağlanım yöntemleriyle en iyi ÖG giderimine ulaşmak için girdi verilerinde rastsal Fourier özellikleri (RFÖ) dönüşümü uygulanmıştır. Bu çalışmada, ilk kez TÇY haberleşmede doğrusal olmayan sayısal ÖG giderimi için DVB kullanılmıştır. Ayrıca, uyarlanabilir EKOK algoritmasından önce bu algoritmanın ÖG giderim performansını artıran RFÖ dönüşümü uygulanması önerilmiştir. Önerilen entegre çerçevenin performansı, tüm tekniklerin herhangi bir donanım değişikliği veya ek devre olmaksızın yalnızca tek bir anten ve bir WARP v3 kartından oluşan aynı yazılım tanımlı TÇY radyo düzeneğinde uygulanmasıyla, iyi bilinen doğrusal olmayan sayısal giderim teknikleri ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Entegre kalan yaklaşımının, toplam ÖG giderim performansını, yalnızca doğrusal sayısal ÖG giderimine kıyasla 7 dB'ye kadar ve mevcut yalnızca doğrusal olmayan tekniklere göre 4 dB'ye kadar artırabildiği gösterilmiştir. Entegre iç içe yaklaşımın ise, yüksek gönderim gücü seviyeleri için yalnızca doğrusal üzerinden 6 dB'ye ve doğrusal olmayan yalnızca sayısal ÖG giderimine göre 3 dB'ye kadar bir iyileştirme sağladığı gözlenmistir. Tüm semalar aynı zamanda eğitim ek yükü ve hesaplama karmaşıklığı açısından da değerlendirilmiştir ve bu kıyaslamalar farklı gönderim gücü seviyelerinde maliyet ve performans arasındaki ödünlesim hakkında fikir vermektedir.

Full duplex (FD) communication has the potential to double the throughput of wireless links while occupying the same bandwidth of half duplex communication. To enable FD communication, the self-interference (SI) signal is to be suppressed down to the noise floor. SI cancellation can be achieved via antenna suppression, active analog cancellation, and digital cancellation. At high transmit power levels, the nonlinear behavior of the transceiver hardware degrades linear SI channel estimation, hence digital SI cancellation, resulting in reduced total suppression. In this dissertation, we obtain a generalized analytical model of the residual SI signal of an FD radio containing linear only digital SI cancellation, we review nonlinear digital SI cancellation solutions in the literature, and we present a comprehensive integrated linear and nonlinear digital SI cancellation framework with nested and residual approaches. In the proposed solution, memory polynomial, support vector regression (SVR), and least mean squares (LMS) with orthonormalization are implemented as nonlinear algorithms together with linear cancellation in the integrated framework. Alternatively, support vector regression (SVR) transformation is employed on the input data to achieve the highest SI cancellation using linear regression techniques. In this work, SVR is utilized for nonlinear digital SI cancellation in FD communication for the first time. Also, RFF transformation is applied before the adaptive LMS algorithm which enhances the SI cancellation performance of this algorithm. The performance of the proposed integrated framework is evaluated in comparison with well-known nonlinear digital cancellation techniques, by implementing all techniques on the same software defined FD radio set-up, consisting only of a single antenna and a WARP v3 board without any hardware modification or additional circuitry. It is shown that the integrated residual approach can enhance the total SI suppression performance significantly by up to 7 dB as compared to linear only digital SI cancellation and by up to 4 dB with respect to existing nonlinear only techniques observed. Moreover, the integrated nested approach can provide an improvement of up to 6 dB over linear only and 3 dB over nonlinear only digital SI cancellation for high transmit power levels. All schemes are also evaluated in terms of training overhead and computational complexity, providing insights about the trade-off between cost and performance at different transmit power levels.