传统半双工与纯全双工无线通信系统容量分析及比较

李玉　王浩文　许晖

通将全双工技术应用到无线通信中，理论上能够比现有半双工技术提升一倍系统容量。首次给出一种纯全双工无线节点场景，并依据香农公式以各节点发射功率和带宽为自变量构造出系统容量闭合表达式。借助MATLAB工具利用最大化加权和速率算法仿真自干扰抵消水平及矢量幅度误差对系统性能的影响，同时给出相同条件下半双工系统的性能仿真作为比较。系统地分析全双工技术应用到无线通信中存在的优势，结果表明全双工无线系统只在一定条件下具有优于半双工系统的性能。

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

全双工技术是一种可以在同一块资源上同时进行收发数据的技术，已经成熟运用于有线网络，与半双工相比具有最高2倍的性能优势。但是，当全双工应用到无线网络中，存在一个很难解决的关键问题——由于节点收发天线距离较近，自身发射信号将远大于甚至淹没要接收的有用信号。因为硬件精度条件等限制，自干扰问题一直限制着全双工技术在无线领域的发展应用。

近年来，无线全双工技术得到突破性进展，诸多研究者通过不同方法实现了无线全双工技术[1-4]。如图1所示，自干扰抵消方法主要分为：

（1）通过节点自身收发天线位置的摆放或者天线之间的距离；

（2）通过射频端RF抵消，在节点处引入1条支路做回波抵消；

（3）在节点基带处做自干扰抵消。

3 仿真结果

基于上述系统模型和容量表达式，本节仿真了纯全双工系统及相应半双工系统速率（容量）边界曲线与节点自干扰抵消能力之间的关系。目标函数具有功率和带宽这2个约束条件，为了求其最大值，可以借用MATLAB工具采取穷尽搜索或者使用数学优化工具CVX[6]进行数值求解。设置权重因子从0到1变化，借助MATLAB工具对于不同的[α1，α2]参数对，求取对应的上下行速率{RUL，RDL}，最后得出表征系统容量的和速率边界曲线。

所有参数取值如表1所示。其中，全双工节点的最大发送功率均为20dBm；收发天线间的距离为10cm（20dB）；系统总带宽为20MHz；噪声系数（NF，Noise Figure）用来衡量放大器器件本身噪声水平，取值为10dB[7]。

左下角一簇曲线为考虑EVM误差因素的仿真曲线，簇中包含4条曲线，从下到上分别为传统半双工容量边界以及3种自干扰抵消方法（天线分离/射频抵消/基带抵消）抵消能力分别为20/30/30dB、20/40/20dB、20/40/30dB情况下的系统容量边界曲线。同样，右上角是不包含EVM因素的仿真曲线簇，分别对应传统半双工容量边界以及自干扰抵消总能力分别为90dB、100dB、110dB情况下的系统容量边界曲线。从图中可以看出不同的自干扰抵消水平对系统容量影响很大，自干扰消除越高，相比于半双工的优势更大；自干扰消除越小，全双工相较于半双工的优势越低，一旦自干扰消除能力达不到临界值，全双工将劣于半双工。在本文的仿真参数下，不含EVM时自干扰抵消临界值约为87dB，这意味着自干扰抵消水平必须达到87dB才能保证全双工系统的价值。另外，EVM导致系统性能整体下降，并且同样是90dB，有EVM时全双工相对半双工的增益更大，因为EVM对半双工系统的影响大于对全双工系统的影响。

从图4中还可以发现，不同自干扰消除方法对系统性能影响程度各异。比如全双工场景在3种自干扰消除方法分别抵消20/30/30dB和20/40/20dB时，后者的边界范围明显更大，这是因为在基带前的干扰消除方法可以消除部分EVM噪声，可见射频自干扰消除方法的重要性。

为了更好地理解文中所述优化问题，下面给出速率边界曲线对应的功率消耗和速率分配关系图。endprint

图5显示了达到相同下行速率或上行速率时全双工系统和半双工系统消耗的总发送功率曲线。结果显示，不管有没有考虑EVM因素，为了达到系统最大加权和速率，半双工系统的功率消耗都达到了最大值，而全双工系统的功率消耗均不会超过半双工系统。

4 结束语

本文主要介绍了多用户无线全双工场景，并首次引入纯多用户全双工场景。依据场景给出理想及存在EVM误差情况下多用户系统上下行速率和表达式，并使用MATLAB仿真工具求解出表征系统容量的最大加权和速率，得到速率边界曲线；同时，仿真了不同自干扰抵消水平下系统速率边界图以及达到最大化和速率时用户节点间功率及速率分配情况图。仿真结果表明，全双工系统性能与自干扰抵消能力有着重要关联，系统性能随着自干扰抵消能力的提高而提升，需要在系统自干扰抵消能力达到一定水平之上才能优于半双工系统。EVM是现实中不可避免的一个噪声因素，其误差会严重导致系统整体性能下降。但是存在EVM的情况下，由于全双工自干扰抵消措施会消除部分EVM的影响，因此全双工系统性能会更容易优于半双工。根据仿真发现射频抵消对系统性能有着更重要的影响，应用全双工技术时需要重点考虑。

参考文献：

[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

图5显示了达到相同下行速率或上行速率时全双工系统和半双工系统消耗的总发送功率曲线。结果显示，不管有没有考虑EVM因素，为了达到系统最大加权和速率，半双工系统的功率消耗都达到了最大值，而全双工系统的功率消耗均不会超过半双工系统。

4 结束语

本文主要介绍了多用户无线全双工场景，并首次引入纯多用户全双工场景。依据场景给出理想及存在EVM误差情况下多用户系统上下行速率和表达式，并使用MATLAB仿真工具求解出表征系统容量的最大加权和速率，得到速率边界曲线；同时，仿真了不同自干扰抵消水平下系统速率边界图以及达到最大化和速率时用户节点间功率及速率分配情况图。仿真结果表明，全双工系统性能与自干扰抵消能力有着重要关联，系统性能随着自干扰抵消能力的提高而提升，需要在系统自干扰抵消能力达到一定水平之上才能优于半双工系统。EVM是现实中不可避免的一个噪声因素，其误差会严重导致系统整体性能下降。但是存在EVM的情况下，由于全双工自干扰抵消措施会消除部分EVM的影响，因此全双工系统性能会更容易优于半双工。根据仿真发现射频抵消对系统性能有着更重要的影响，应用全双工技术时需要重点考虑。

参考文献：

[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.

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[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

图5显示了达到相同下行速率或上行速率时全双工系统和半双工系统消耗的总发送功率曲线。结果显示，不管有没有考虑EVM因素，为了达到系统最大加权和速率，半双工系统的功率消耗都达到了最大值，而全双工系统的功率消耗均不会超过半双工系统。

4 结束语

本文主要介绍了多用户无线全双工场景，并首次引入纯多用户全双工场景。依据场景给出理想及存在EVM误差情况下多用户系统上下行速率和表达式，并使用MATLAB仿真工具求解出表征系统容量的最大加权和速率，得到速率边界曲线；同时，仿真了不同自干扰抵消水平下系统速率边界图以及达到最大化和速率时用户节点间功率及速率分配情况图。仿真结果表明，全双工系统性能与自干扰抵消能力有着重要关联，系统性能随着自干扰抵消能力的提高而提升，需要在系统自干扰抵消能力达到一定水平之上才能优于半双工系统。EVM是现实中不可避免的一个噪声因素，其误差会严重导致系统整体性能下降。但是存在EVM的情况下，由于全双工自干扰抵消措施会消除部分EVM的影响，因此全双工系统性能会更容易优于半双工。根据仿真发现射频抵消对系统性能有着更重要的影响，应用全双工技术时需要重点考虑。

参考文献：

[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.

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[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.

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[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