Full-Duplex Multi-Antenna Base-Stations with Reduced Complexity

Zarifeh, Nidal GND

The future generations of cellular systems promise the user a wide range of services and applications that require revolutionary enhancements in the network performance, in terms of throughput, capacity, latency, and reliability.
Therefore, in order to fulfill the requirements, the current wireless systems need new technologies as revolutionary as the promised applications. Antenna arrays, especially massive Multi-Input Multi-Output (MIMO), Millimeter Waves (mmWaves), Nonorthogonal Multiple Access (NOMA), and In-Band Full-Duplex (IBFD) transmission, have been the most rising approaches for investigation.
IBFD, or shortly known as Full-duplex (FD), is a promising technology that allows the device to simultaneously transmit and receive on the same frequency. Hence, the transceiver does not need any duplex scheme, neither in frequency nor in time domains, as it does in half-duplex (HD) transmission. Besides the potential to double the spectral efficiency, FD has many significant advantages.
First, it can distinctly reduce the latency in wireless networks, which is a critical issue in 5G. Furthermore, it simplifies spectrum management and allows easier dynamic spectrum allocation, especially in cognitive radio (CR) systems.
Also, it enables cellular systems to reuse frequency bands for radio access and backhauling. Moreover, FD is a potential solution for other wireless problems such as hidden terminals, congestion, and collision. However, the fact that the self-interference (SI) signal is usually 80-120 dB stronger than the weak desired signal makes SI cancellation (SIC) the main challenge against the realization of FD. A hybrid SIC solution should be deployed, in propagation, analog, and digital domains, to accumulatively suppress the SI to the noise floor.
Most of SIC methods are based on copying the transmitted signal, then subtracting it from the total received signal in order to eliminate SI. However, this methodology suffers from the sensitivity to the imperfections of analog components, i.e., the hardware impairments, which cause considerable changes to the copied signal; not to mention the effect of the SI channel. In MIMO systems, the problem is even harder because of using multiple transceivers, where each one by its own has different imperfections (non-linearity, IQ imbalance, phase noise, etc.).
The main motivation of this dissertation is to employ the multi-antenna feature in favor of SIC, instead of dealing with it as an additional problem to SIC.

Before addressing different multi-antenna technologies, IQ imbalance is investigated as one example of imperfections in FD transceiver, in order to demonstrate the complexity of hardware impairment calibration.
An FD system is analyzed to show the considerable drop in SIC in the presence of IQ imbalance. Then, calibration methods are proposed. After that, the focus lies on three multi-antenna technologies, reflect-array (RA), co-located antenna selection (AS), and distributed antenna system (DAS). In general, during our work with these technologies, the following outlines are considered: The scenario assumes an FD base-station with HD users. Cross-polarization isolation is combined with isolation achieved by the tackled technologies.
The system operates in wideband (5, 10, or 20 MHz), and with 5 GHz carrier frequency. Instead of using theoretical channel models, ray-tracing method is applied within realistic environments.
The system is evaluated by bit error rate (BER), spectral efficiency, and FD over HD enhancement ratio FD/HD, which has a theoretical boundary value of 2.

The use of RA in FD mobile systems is proposed for the first time in literature. Using multi-feeder in dual-polarized RAs mitigates the leakage from the transmitter to the receiver, and the beam-forming allows further SI isolation. For FD AS investigation, three antenna selection criteria are proposed, 1) maximization of signal-to-noise ratio (SNR) without considering the SI channels, 2) maximization of signal to self-interference plus noise ratio (SSINR), where SI channels are estimated, and 3) maximization of channel gain ratio (CGR). FD AS is also investigated for distributed antenna systems.
Then, experimental validation of the AS simulation is done with a real testbed in order to evaluate the FD system performance. Various setups are experimented in the testbed, such as changing the number of antennas, the type of isolation (vertical/horizontal), and the type of antennas (omnidirectional/directional).
In fact, this testbed is considered one of few FD testbeds, and it is the first that enables AS in an FD base-station. In general, the achieved FD/HD enhancement ratio in simulations and experiments is in the range of 1.4-1.98 for the different tackled technologies and different algorithms. However, in this work, the number of users is limited to maximum three users in each direction.
Thus, more complex and dynamic scenarios are to be investigated. Nevertheless, the results show that the combination of FD transmission with low-complex multi-antenna techniques is feasible in technology, and promising in performance, validating its potential deployment in future wireless systems.

„Full-Duplex“ (FD) ist eine vielversprechende Technologie, die es dem Gerät ermöglicht, auf der gleichen Frequenz zeitgleich Daten zu senden und zu empfangen. Im Gegensatz hierzu muss bei der üblicherweise verwendeten „Half-Duplex“ (HD)-Anwendung das Senden und Empfangen zeitlich getrennt werden.
Neben der Möglichkeit der Verdopplung der spektralen Effizienz bringt FD weitere erhebliche Vorteile mit sich, wie beispielsweise deutlich geringere Latenzzeiten und ein vereinfachtes Spektrum-Management. Allerdings ist die Unterdrückung der „Selbstinterferenz“ (SI) eine wesentliche Herausforderung für die Realisierung von FD-Systemen.
Zur SI-Unterdrückung („self-interference cancellation“, SIC) werden hybride Lösungen bevorzugt, die innerhalb der Übertragungskette sowohl in der analogen als auch der digitalen Verarbeitung ansetzen. Die meisten SIC-Methoden basieren auf der Nachbildung des übertragenen Signals und der anschließenden Subtraktion dieses Teilsignals vom empfangenen Signal.
Diese Rückkopplungs-Methodik reagiert jedoch sehr empfindlich auf Nichtidealitäten der Hardware, die einen erheblichen Einfluss auf das nachgebildete Signal und den SI-Kanal haben. Diese Herausforderung ist in Mehrantennensystemen („multiple input - multiple output“, MIMO) aufgrund der Verwendung mehrerer Sender-Empfänger-Module, sogenannter Transceiver, noch stärker ausgeprägt, da in der Regel jeder dieser Transceiver abweichende Unzulänglichkeiten aufweist.

Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist, die vorteilhafte Nutzung von Mehrfachantennen (MIMO) zur SI-Unterdrückung (SIC) aufzuzeigen, anstatt MIMO als eine zusätzliche Herausforderung für SIC aufzufassen.
Vor der Betrachtung verschiedener Technologien für Mehrfachantennen-Systeme werden in dieser Arbeit zunächst IQ-Fehler (In-phase Quadrature-phase Imbalance) als ein Beispiel für Nichtidealitäten in einem FD-Transceiver untersucht. Hierbei wird die Komplexität der Kalibrierung zur Berücksichtigung von Hardware-Unzulänglichkeiten aufgezeigt.
Danach liegt der Fokus auf den drei Mehrfachantennen-Technologien, „Reflect-Array“ (RA), „Co-Located Antenna Selection“ (AS) und „Distributed Antenna System“ (DAS). Dem betrachteten Szenario liegt eine Breitband-FD-Basisstation mit HD-Nutzern zugrunde. Anstelle der Verwendung von theoretischen Kanal-Modellen wird die Methode der Strahlverfolgung („Ray-Tracing“) innerhalb realistischer Umgebungen angewandt. Die Bewertung des Systems erfolgt durch die Bitfehlerrate („Bit Error Rate“, BER), spektrale Effizienz und das Steigerungsverhältnis für den Datendurchsatz FD/HD, das einen theoretischen Grenzwert von 2 besitzt.
Die experimentelle Validierung der adressierten Mehrantennenschemata wird exemplarisch an FD AS durchgeführt. Hierzu wird im Testaufbau der Grad der erreichten SIC gemessen und damit die Leistung des FD-Systems bewertet. Untersucht werden verschiedene Anordnungen, wie beispielsweise die Variation der Anzahl der Antennen, des Antennentyps und der Isolation durch die Antennenpolarisationsrichtung.
Der realisierte Testaufbau wird als das erste angesehen, der AS in einer FD-Basisstation implementiert. Im Allgemeinen liegt das in den Simulationen und Experimenten erzielte FD/HD-Steigerungsverhältnis für die untersuchten Technologien und die verschiedenen Algorithmen zwischen 1.4 und 1.98. In dieser Arbeit ist die Zahl der Nutzer auf maximal drei in jede Richtung begrenzt.
Daher müssen für eine finale Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Verfahrens noch weitere komplexere und dynamische Szenarien untersucht werden. Nichtsdestotrotz zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass FD-Transmission in Kombination mit gering-komplexer Mehrfachantennen-Technik praktisch anwendbar und in der Leistungsfähigkeit vielversprechend ist. Daher zeigt die in dieser Arbeit vorgeschlagene Methodik eine mögliche Verwendung von FD-Technologien in zukünftigen Mobilfunksystemen auf.

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Zarifeh, Nidal: Full-Duplex Multi-Antenna Base-Stations with Reduced Complexity. 2020.

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