傳統(tǒng)半雙工與純?nèi)p工無(wú)線通信系統(tǒng)容量分析及比較

李玉　王浩文　許暉

通將全雙工技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線通信中，理論上能夠比現(xiàn)有半雙工技術(shù)提升一倍系統(tǒng)容量。首次給出一種純?nèi)p工無(wú)線節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景，并依據(jù)香農(nóng)公式以各節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和帶寬為自變量構(gòu)造出系統(tǒng)容量閉合表達(dá)式。借助MATLAB工具利用最大化加權(quán)和速率算法仿真自干擾抵消水平及矢量幅度誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)給出相同條件下半雙工系統(tǒng)的性能仿真作為比較。系統(tǒng)地分析全雙工技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線通信中存在的優(yōu)勢(shì)，結(jié)果表明全雙工無(wú)線系統(tǒng)只在一定條件下具有優(yōu)于半雙工系統(tǒng)的性能。

The application of full-duplex （FD） technology in wireless communications would theoretically double the system capacity in comparison with current half-duplex （HD） technology. In this paper， a pure-FD wireless scenario is presented and the close-form expression of system capacity with the independent variables of node transmission power and bandwidth according to Shannon formula is derived. By means of maximizing weighted sum rate algorithm on MATLAB software， the impact of self-inference cancelling and error vector magnitude （EVM） on system performance is simulated in comparison with the results of HD system in the same conditions. This paper in-depth analyzes the advantages of FD technology in wireless communications with the simulation results showing that FD wireless system outperforms HD system only in certain conditions.

full-duplex half-duplex self-interference cancelling multi-user capacity boundary

1 引言

全雙工技術(shù)是一種可以在同一塊資源上同時(shí)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)的技術(shù)，已經(jīng)成熟運(yùn)用于有線網(wǎng)絡(luò)，與半雙工相比具有最高2倍的性能優(yōu)勢(shì)。但是，當(dāng)全雙工應(yīng)用到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，存在一個(gè)很難解決的關(guān)鍵問(wèn)題——由于節(jié)點(diǎn)收發(fā)天線距離較近，自身發(fā)射信號(hào)將遠(yuǎn)大于甚至淹沒(méi)要接收的有用信號(hào)。因?yàn)橛布葪l件等限制，自干擾問(wèn)題一直限制著全雙工技術(shù)在無(wú)線領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。

近年來(lái)，無(wú)線全雙工技術(shù)得到突破性進(jìn)展，諸多研究者通過(guò)不同方法實(shí)現(xiàn)了無(wú)線全雙工技術(shù)[1-4]。如圖1所示，自干擾抵消方法主要分為：

（1）通過(guò)節(jié)點(diǎn)自身收發(fā)天線位置的擺放或者天線之間的距離；

（2）通過(guò)射頻端RF抵消，在節(jié)點(diǎn)處引入1條支路做回波抵消；

（3）在節(jié)點(diǎn)基帶處做自干擾抵消。

3 仿真結(jié)果

基于上述系統(tǒng)模型和容量表達(dá)式，本節(jié)仿真了純?nèi)p工系統(tǒng)及相應(yīng)半雙工系統(tǒng)速率（容量）邊界曲線與節(jié)點(diǎn)自干擾抵消能力之間的關(guān)系。目標(biāo)函數(shù)具有功率和帶寬這2個(gè)約束條件，為了求其最大值，可以借用MATLAB工具采取窮盡搜索或者使用數(shù)學(xué)優(yōu)化工具CVX[6]進(jìn)行數(shù)值求解。設(shè)置權(quán)重因子從0到1變化，借助MATLAB工具對(duì)于不同的[α1，α2]參數(shù)對(duì)，求取對(duì)應(yīng)的上下行速率{RUL，RDL}，最后得出表征系統(tǒng)容量的和速率邊界曲線。

所有參數(shù)取值如表1所示。其中，全雙工節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)送功率均為20dBm；收發(fā)天線間的距離為10cm（20dB）；系統(tǒng)總帶寬為20MHz；噪聲系數(shù)（NF，Noise Figure）用來(lái)衡量放大器器件本身噪聲水平，取值為10dB[7]。

左下角一簇曲線為考慮EVM誤差因素的仿真曲線，簇中包含4條曲線，從下到上分別為傳統(tǒng)半雙工容量邊界以及3種自干擾抵消方法（天線分離/射頻抵消/基帶抵消）抵消能力分別為20/30/30dB、20/40/20dB、20/40/30dB情況下的系統(tǒng)容量邊界曲線。同樣，右上角是不包含EVM因素的仿真曲線簇，分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)半雙工容量邊界以及自干擾抵消總能力分別為90dB、100dB、110dB情況下的系統(tǒng)容量邊界曲線。從圖中可以看出不同的自干擾抵消水平對(duì)系統(tǒng)容量影響很大，自干擾消除越高，相比于半雙工的優(yōu)勢(shì)更大；自干擾消除越小，全雙工相較于半雙工的優(yōu)勢(shì)越低，一旦自干擾消除能力達(dá)不到臨界值，全雙工將劣于半雙工。在本文的仿真參數(shù)下，不含EVM時(shí)自干擾抵消臨界值約為87dB，這意味著自干擾抵消水平必須達(dá)到87dB才能保證全雙工系統(tǒng)的價(jià)值。另外，EVM導(dǎo)致系統(tǒng)性能整體下降，并且同樣是90dB，有EVM時(shí)全雙工相對(duì)半雙工的增益更大，因?yàn)镋VM對(duì)半雙工系統(tǒng)的影響大于對(duì)全雙工系統(tǒng)的影響。

從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，不同自干擾消除方法對(duì)系統(tǒng)性能影響程度各異。比如全雙工場(chǎng)景在3種自干擾消除方法分別抵消20/30/30dB和20/40/20dB時(shí)，后者的邊界范圍明顯更大，這是因?yàn)樵诨鶐暗母蓴_消除方法可以消除部分EVM噪聲，可見(jiàn)射頻自干擾消除方法的重要性。

為了更好地理解文中所述優(yōu)化問(wèn)題，下面給出速率邊界曲線對(duì)應(yīng)的功率消耗和速率分配關(guān)系圖。endprint

圖5顯示了達(dá)到相同下行速率或上行速率時(shí)全雙工系統(tǒng)和半雙工系統(tǒng)消耗的總發(fā)送功率曲線。結(jié)果顯示，不管有沒(méi)有考慮EVM因素，為了達(dá)到系統(tǒng)最大加權(quán)和速率，半雙工系統(tǒng)的功率消耗都達(dá)到了最大值，而全雙工系統(tǒng)的功率消耗均不會(huì)超過(guò)半雙工系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了多用戶無(wú)線全雙工場(chǎng)景，并首次引入純多用戶全雙工場(chǎng)景。依據(jù)場(chǎng)景給出理想及存在EVM誤差情況下多用戶系統(tǒng)上下行速率和表達(dá)式，并使用MATLAB仿真工具求解出表征系統(tǒng)容量的最大加權(quán)和速率，得到速率邊界曲線；同時(shí)，仿真了不同自干擾抵消水平下系統(tǒng)速率邊界圖以及達(dá)到最大化和速率時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)間功率及速率分配情況圖。仿真結(jié)果表明，全雙工系統(tǒng)性能與自干擾抵消能力有著重要關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)性能隨著自干擾抵消能力的提高而提升，需要在系統(tǒng)自干擾抵消能力達(dá)到一定水平之上才能優(yōu)于半雙工系統(tǒng)。EVM是現(xiàn)實(shí)中不可避免的一個(gè)噪聲因素，其誤差會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能下降。但是存在EVM的情況下，由于全雙工自干擾抵消措施會(huì)消除部分EVM的影響，因此全雙工系統(tǒng)性能會(huì)更容易優(yōu)于半雙工。根據(jù)仿真發(fā)現(xiàn)射頻抵消對(duì)系統(tǒng)性能有著更重要的影響，應(yīng)用全雙工技術(shù)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1] J I Choi， M Jain， K Srinivasan， et al. Achieving Single Channel Full Duplex Wireless Communication[A]. International Conference on Mobile of systems[C]. 2011： 301-312.

[2] M Duarte， A Sabharwal. Full-Duplex Wireless Communications Using off-the-shelf Radios： Feasibility and First Results[A]. Signals， Systems and Computers（ASILOMAR）[C]. CA： IEEE Signal Processing Society， 2010： 1558-1562.

[3] Jain M， Choi J， Kim T， et al. Practical， Real-time， Full Duplex Wireless[J]. MobiCom， 2011（9）： 19-23.

[4] M Duarte， C Dick， A Sabharwal. Experiment-Driven Characterization of Full-Duplex Wireless Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2012（12）： 4296-4307.

[5] McKinley， et al. EVM Calculation for broadband Modulated Signals[J]. 64th ARFTG Conf Dig Orlando， 2004（12）： 45-52.

[6] M Grant， S Boyd. CVX UsersGuide for CVX Version 1.22[EB/OL]. [2013-09-16]. http：//cvxr.com/cvx/doc/.

[7] Harri Holma， Antti Toskala. LTE for UMTS： Evolution to LTE-Advanced[M]. Second Edition. Wiley， 2011.endprint

圖5顯示了達(dá)到相同下行速率或上行速率時(shí)全雙工系統(tǒng)和半雙工系統(tǒng)消耗的總發(fā)送功率曲線。結(jié)果顯示，不管有沒(méi)有考慮EVM因素，為了達(dá)到系統(tǒng)最大加權(quán)和速率，半雙工系統(tǒng)的功率消耗都達(dá)到了最大值，而全雙工系統(tǒng)的功率消耗均不會(huì)超過(guò)半雙工系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了多用戶無(wú)線全雙工場(chǎng)景，并首次引入純多用戶全雙工場(chǎng)景。依據(jù)場(chǎng)景給出理想及存在EVM誤差情況下多用戶系統(tǒng)上下行速率和表達(dá)式，并使用MATLAB仿真工具求解出表征系統(tǒng)容量的最大加權(quán)和速率，得到速率邊界曲線；同時(shí)，仿真了不同自干擾抵消水平下系統(tǒng)速率邊界圖以及達(dá)到最大化和速率時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)間功率及速率分配情況圖。仿真結(jié)果表明，全雙工系統(tǒng)性能與自干擾抵消能力有著重要關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)性能隨著自干擾抵消能力的提高而提升，需要在系統(tǒng)自干擾抵消能力達(dá)到一定水平之上才能優(yōu)于半雙工系統(tǒng)。EVM是現(xiàn)實(shí)中不可避免的一個(gè)噪聲因素，其誤差會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能下降。但是存在EVM的情況下，由于全雙工自干擾抵消措施會(huì)消除部分EVM的影響，因此全雙工系統(tǒng)性能會(huì)更容易優(yōu)于半雙工。根據(jù)仿真發(fā)現(xiàn)射頻抵消對(duì)系統(tǒng)性能有著更重要的影響，應(yīng)用全雙工技術(shù)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1] J I Choi， M Jain， K Srinivasan， et al. Achieving Single Channel Full Duplex Wireless Communication[A]. International Conference on Mobile of systems[C]. 2011： 301-312.

[2] M Duarte， A Sabharwal. Full-Duplex Wireless Communications Using off-the-shelf Radios： Feasibility and First Results[A]. Signals， Systems and Computers（ASILOMAR）[C]. CA： IEEE Signal Processing Society， 2010： 1558-1562.

[3] Jain M， Choi J， Kim T， et al. Practical， Real-time， Full Duplex Wireless[J]. MobiCom， 2011（9）： 19-23.

[4] M Duarte， C Dick， A Sabharwal. Experiment-Driven Characterization of Full-Duplex Wireless Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2012（12）： 4296-4307.

[5] McKinley， et al. EVM Calculation for broadband Modulated Signals[J]. 64th ARFTG Conf Dig Orlando， 2004（12）： 45-52.

[6] M Grant， S Boyd. CVX UsersGuide for CVX Version 1.22[EB/OL]. [2013-09-16]. http：//cvxr.com/cvx/doc/.

[7] Harri Holma， Antti Toskala. LTE for UMTS： Evolution to LTE-Advanced[M]. Second Edition. Wiley， 2011.endprint

圖5顯示了達(dá)到相同下行速率或上行速率時(shí)全雙工系統(tǒng)和半雙工系統(tǒng)消耗的總發(fā)送功率曲線。結(jié)果顯示，不管有沒(méi)有考慮EVM因素，為了達(dá)到系統(tǒng)最大加權(quán)和速率，半雙工系統(tǒng)的功率消耗都達(dá)到了最大值，而全雙工系統(tǒng)的功率消耗均不會(huì)超過(guò)半雙工系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了多用戶無(wú)線全雙工場(chǎng)景，并首次引入純多用戶全雙工場(chǎng)景。依據(jù)場(chǎng)景給出理想及存在EVM誤差情況下多用戶系統(tǒng)上下行速率和表達(dá)式，并使用MATLAB仿真工具求解出表征系統(tǒng)容量的最大加權(quán)和速率，得到速率邊界曲線；同時(shí)，仿真了不同自干擾抵消水平下系統(tǒng)速率邊界圖以及達(dá)到最大化和速率時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)間功率及速率分配情況圖。仿真結(jié)果表明，全雙工系統(tǒng)性能與自干擾抵消能力有著重要關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)性能隨著自干擾抵消能力的提高而提升，需要在系統(tǒng)自干擾抵消能力達(dá)到一定水平之上才能優(yōu)于半雙工系統(tǒng)。EVM是現(xiàn)實(shí)中不可避免的一個(gè)噪聲因素，其誤差會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能下降。但是存在EVM的情況下，由于全雙工自干擾抵消措施會(huì)消除部分EVM的影響，因此全雙工系統(tǒng)性能會(huì)更容易優(yōu)于半雙工。根據(jù)仿真發(fā)現(xiàn)射頻抵消對(duì)系統(tǒng)性能有著更重要的影響，應(yīng)用全雙工技術(shù)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1] J I Choi， M Jain， K Srinivasan， et al. Achieving Single Channel Full Duplex Wireless Communication[A]. International Conference on Mobile of systems[C]. 2011： 301-312.

[2] M Duarte， A Sabharwal. Full-Duplex Wireless Communications Using off-the-shelf Radios： Feasibility and First Results[A]. Signals， Systems and Computers（ASILOMAR）[C]. CA： IEEE Signal Processing Society， 2010： 1558-1562.

[3] Jain M， Choi J， Kim T， et al. Practical， Real-time， Full Duplex Wireless[J]. MobiCom， 2011（9）： 19-23.

[4] M Duarte， C Dick， A Sabharwal. Experiment-Driven Characterization of Full-Duplex Wireless Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2012（12）： 4296-4307.

[5] McKinley， et al. EVM Calculation for broadband Modulated Signals[J]. 64th ARFTG Conf Dig Orlando， 2004（12）： 45-52.

[6] M Grant， S Boyd. CVX UsersGuide for CVX Version 1.22[EB/OL]. [2013-09-16]. http：//cvxr.com/cvx/doc/.

[7] Harri Holma， Antti Toskala. LTE for UMTS： Evolution to LTE-Advanced[M]. Second Edition. Wiley， 2011.endprint