Adaptive Antenna and Radio Front-End for Full-Duplex Mobile Communications

Abstract

La comunicación In-Band-Full-Duplex (IBFD) se refiere a un sistema capaz de soportar la transmisión simultánea de datos a través de la misma banda de frecuencia. Este modo de operación particular surge como una solución atractiva para los sistemas de comunicación inalámbrica, ya que tiene el potencial de mejorar la eficiencia espectral de los sistemas actuales y resolver algunos problemas de red bien conocidos, como el problema de la terminal oculta. Sin embargo, la fuerte autointerferencia (SI) experimentada por un terminal IBFD debido a la pérdida de señal TX en el receptor hace que su implementación sea realmente desafiante. Entonces, un sistema práctico requiere una suma de técnicas pasivas y activas que trabajan en el dominio de propagación, analógico y digital para alcanzar una reducción de SI lo suficientemente buena. Esta tesis se basa en la observación de que enfocarse en la porción electromagnética del receptor de IBFD tiene el potencial de mejorar el nivel de supresión del SI en decenas de dB en la entrada del sistema, complementando así las mejoras logradas en las etapas posteriores del receptor. Se enfrenta el diseño, la fabricación y la validación de la antena de doble puerto para un dispositivo móvil IBFD, llegando una estructura multicapa compacta con un aislamiento del orden de 20 a 30 dB que opera a 2,65 GHz y cuatro estados reconfigurables para lograr una mejor adaptación ambiental . La antena suprime la señal SI empleando una combinación de mecanismos pasivos tales como directividad, diversidad direccional, polarización, colocación de simetría y está disenada sobre un optimizador multinivel (Algoritmo genético (GA), búsqueda codiciosa local y búsqueda exhaustiva). ) con un solucionador de campo electromagnético basado en Método de Momentos de (MoM). Además, se realizan pruebas en interiores con enlaces IBFD de corto alcance para validar la antena. En general, este proyecto muestra cómo un módulo de autointerferencia de antena mejora la viabilidad de la operación de IBFD, apunta a la validación de algoritmos de optimización para antenas en el caso de IBFD y desarrolla un bloque de radio adaptativo (antena y radio frontal) que trabaja en condiciones limitadas y es un complemento de los trabajos encontrados en la literatura, que se centran en el procesamiento analógico y digital en las etapas posteriores de la cadena de recepción.

In-Band-Full-Duplex(IBFD) communication refers to a system capable of supporting simultaneous transmission of data over the same frequency band. This particular operation mode emerges as an attractive solution for wireless communication systems since it has the potential to enhance the spectral efficiency of current systems and solve some well-known network issues such as the hidden terminal problem. However, the strong Self-Interference(SI) experienced by an IBFD terminal due to its TX-signal leaking to the receiver makes its implementation really challenging. Then, a practical system requires a sum of passive and active techniques working on propagation, analog, and digital domain in order to reach a good enough SI reduction. This thesis is based on the observation that focusing on the electromagnetic portion of the IBFD receiver has the potential to improve the SI suppression level by tens of dB at the very entrance of the system, thus complementing the improvements achieved on subsequent stages of the receiver. The design, manufacture and validation of dual-port antenna for an IBFD mobile device is faced, finding out a compact multilayer structure with an isolation on the order of 20 to 30 dB operating at 2.65GHz and four reconfigurable states to achieve a better environmental adaptation. The antenna suppresses the SI signal employing a combination of passive suppression mechanisms such as directivity, directional diversity, polarization, symmetry placement and is built on an efficient coupling of a multi-level optimizer (Genetic Algorithm (GA), local greedy search and exhaustive search) with a full-wave Method of Moments (MoM) electromagnetic field solver. Also, indoor over-the-air tests with short-range IBFD links are performed to validate the antenna. Overall, this project shows how a module of antenna self-interference improves the feasibility of IBFD operation, aims the validation of optimization algorithms for antennas in the case of IBFD, develops an adaptive radio block (antenna and radio front-end) for full-duplex wireless communication systems working under limited conditions, and is a complement to works found in literature, which focus on analog and digital processing on subsequent stages of the receiving chain. Nevertheless, IBFD radios are still in very early stages and there remains a vast amount of work still to be done. In future research is discussed extensions to this thesis that could improve the optimization techniques and results.