Full-duplex wireless communication duplexing scheme: methodology and self-interference characteristics
Creators: name: Askar, Ramez
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::537 Elektrizität, Elektronik
subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
subject: full-duplex
subject: self-interference
subject: self-interference channel
subject: hardware impairments
subject: self-interference cancellation

description: Full-duplex scheme – or in-band full-duplex scheme – changes the duplexing paradigm in wireless communication networks. A communication-duplexing scheme utilizes a single frequency band to communicate bidirectionally and simultaneously over two parallel communication links. Indeed, reusing the same frequency band to occupy two information streams – e.g., uplink and downlink – doubles the utilizing the electromagnetic spectrum utilization efficiency, offering a twice more sum channel capacity. Moreover, a simultaneous presence of two data streams mitigates any inherent duplexing latency in exchanging data over the bidirectional link. However, self-interference-cancellation techniques must enhance wireless transceivers to enable a full-duplex scheme. The self-interference signal is severe, contaminated with wireless transceivers' hardware impairments, and dispersed by a self-interference radio channel. Thus, the characteristics of the self-interference signal make its cancellation a challenging task. Consequently, a successful self-interference cancellation, which can enable the full-duplex scheme, must be aware of sources of distortions to allow canceling the self-interference sufficiently. The author has systematically studied the self-interference cancellation in wireless full-duplex transceivers and self-interference radio channels. Firstly, the author presents a comprehensive self-interference signal-and-system models in a full-duplex wireless transceiver, where these models accommodate multiple antenna configurations – SISO, MISO, SIMO, and MIMO – and hardware impairments representation. Then, the author employs analytical tools to dissect the self-interference radio channel into the antenna's mutual coupling and wireless propagation backscattering segments. Next, a fundamental physical and mathematical description of the self-interference radio channel is provided by means of spherical vector wave expansion and antenna scattering matrix representation. Furthermore, experimental tools were used to investigate both channel segments by conducting radio-frequency measurements. In addition to measuring the antennas' mutual coupling for various antenna setups, the wireless propagation backscattering channel segment was measured over several frequency bands (from 2.0 GHz to 7.1 GHz) and in various indoor and outdoor environments. For the sake of a fully polarimetric backscattering self-interference radio channel modeling and characterization, dually polarized antennas' setups were used to measure co-polar and cross-polar self-interference channel components. Moreover, the author has developed and implemented a novel self-interference channel estimation technique that has vastly expanded the self-interference channel measurement dynamics to reach -135 dB. The power-delay profiles were presented and exploited to extract self-interference-channel-relevant parameters. These channel parameters are extensively analyzed by means of statistical tools utilizing quantitative techniques that include graphical techniques and classical confirmatory methods. Following the self-interference channel modeling, the dissertation addresses self-interference cancellation methodologies. Firstly, the author reveals the self-interference cancellation bounding limits and defines self-interference cancellation requirements based on conducted and radiated (over-the-air) metrics. Next, the author studies two self-interference cancellation techniques applied in the radio-frequency domain. Theoretical analysis, simulation, and experiments are used to study the self-interference cancellation techniques. The first technique is a novel technique based on antenna decoupling utilizing a lossless reactive network that interconnects the antenna ports and transceiver front-ends. The author analyzes the technique empirically, relying on the antennas' mutual coupling measurement results. The second technique is based on a self-interference signal injection utilizing an auxiliary transmitter with improved digital processing capabilities to cope with in-phase-and-quadrature imbalances in direct-conversion wireless transceivers.
description: Das Full-Duplex-Schema – oder das In-Band-Full-Duplex-Schema – ändert das Duplex- Paradigma in drahtlosen Kommunikationsnetzen. Bei einem Kommunikations-Duplex- Schema wird ein einziges Frequenzband für die bidirektionale und gleichzeitige Kommunikation über zwei parallele Kommunikationsverbindungen genutzt. Die Wiederverwendung desselben Frequenzbandes für zwei Informationsströme – z. B. Uplink und Downlink – verdoppelt die Effizienz der Nutzung des elektromagnetischen Spektrums und bietet eine doppelt so hohe Kanalkapazität. Außerdem wird durch das gleichzeitige Vorhandensein von zwei Datenströmen jede inhärente Duplex-Latenz beim Datenaustausch über die bidirektionale Verbindung verringert. Allerdings müssen drahtlose Sendeempfänger durch Techniken zur Unterdrückung von Selbstinterferenzen erweitert werden, um ein Full-Duplex-Verfahren zu ermöglichen. Das Selbstinterferenzsignal ist stark, wird durch Hardware-Unzulänglichkeiten der drahtlosen Sendeempfänger verunreinigt und durch einen Selbstinterferenz-Funkkanal gestreut. Die Eigenschaften des Selbstinterferenzsignals machen seine Unterdrückung daher zu einer schwierigen Aufgabe. Deshalb muss eine erfolgreiche Selbstinterferenzunterdrückung, die das Full- Duplex-Verfahren ermöglicht, die Quellen der Verzerrungen kennen, um eine ausreichende Unterdrückung der Selbstinterferenz zu ermöglichen. Der Autor hat die Selbstinterferenzunterdrückung in drahtlosen Full-Duplex- Sendeempfängern und selbstinterferierenden Funkkanälen systematisch untersucht. Zunächst stellt der Autor ein umfassendes Signal- und Systemmodell der Selbstinterferenz in einem drahtlosen Full-Duplex-Sendeempfänger vor, wobei diese Modell mehrere Antennenkonfigurationen - SISO, MISO, SIMO und MIMO - und die Darstellung von Hardware-Unzulänglichkeiten berücksichtigt. Anschließend setzt der Autor analytische Methoden ein, um den Selbstinterferenz-Funkkanal in die Segmente der gegenseitigen Kopplung der Antennen und der Rückstreuung der drahtlosen Ausbreitung zu zerlegen. Anschließend wird eine grundlegende physikalische und mathematische Beschreibung des Selbstinterferenz-Funkkanals mit Hilfe der sphärischen Vektorwellenausbreitung und der Darstellung der Antennenstreumatrix gegeben. Darüber hinaus werden beide Kanalsegmente mit Hilfe von Hochfrequenzmessungen experimentell untersucht. Zusätzlich zur Messung der gegenseitigen Kopplung der Antennen für verschiedene Antennenkonfigurationen wurde das Segment des Rückstreukanals für die drahtlose Ausbreitung über mehrere Frequenzbänder (von 2,0 GHz bis zu 7,1 GHz) und in verschiedenen Innen- und Außenumgebungen gemessen. Um eine vollständige polarimetrische Modellierung und Charakterisierung des rückstreuenden Funkkanals zu ermöglichen, wurden dual-polarisierte Antennenkonfigurationen verwendet, um kopolare und kreuzpolare Komponenten des Selbstinterferenzkanals zu messen. Darüber hinaus hat der Autor ein neuartiges Verfahren zur Schätzung des Selbstinterferenzkanals entwickelt und implementiert, das die Messdynamik des Selbstinterferenzkanals auf bis zu −135 dB erweitert hat. Die Power-Delay-Profile wurden dargestellt und genutzt, um die für den Selbstinterferenzkanal relevanten Parameter zu extrahieren. Diese Kanalparameter werden mit statistischen Methoden umfassend analysiert, d. h. mit quantitativen Techniken, die grafische Methoden und klassische konfirmatorische Methoden umfassen. Im Anschluss an die Modellierung des Selbstinterferenzkanals befasst sich die Dissertation mit Methoden der Selbstinterferenzunterdrückung. Zunächst zeigt der Autor die Grenzen der Selbstinterferenzunterdrückung auf und definiert die Anforderungen an die Selbstinterferenzunterdrückung auf der Grundlage leitungsgebundener und abgestrahlter Metriken. Anschließend untersucht der Autor zwei Techniken zur Unterdrückung von Selbstinterferenzen, die im Hochfrequenzbereich angewandt werden können. Theoretische Analysen, Simulationen und Experimente werden verwendet, um die Techniken zur Unterdrückung von Selbstinterferenzen zu untersuchen. Bei der ersten Technik handelt es sich um eine neuartige Technik, die auf der Entkopplung von Antennen basiert und ein verlustloses reaktives Netzwerk verwendet, das die Antennenanschlüsse und Sendeempfänger-Front-ends miteinander verbindet. Der Autor analysiert die Technik empirisch und stützt sich dabei auf Messergebnisse der gegenseitigen Kopplung der Antennen. Die zweite Technik basiert auf der Injektion von Selbstinterferenzsignalen unter Verwendung eines Hilfssenders mit verbesserten digitalen Verarbeitungsmöglichkeiten, um In-Phase- und Quadratur-Ungleichgewichte in drahtlosen Direktumsetzungs-Sendeempfängern zu kompensieren.