Full Duplex Radios Dinesh Bharadia, Emily McMilin, Sachin Katti - - PowerPoint PPT Presentation

Full Duplex Radios

Dinesh Bharadia, Emily McMilin, Sachin Katti Stanford University

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“It is generally not possible for radios to receive and transmit

• n the same frequency band because of the interference that

results.”

• Andrea Goldsmith, “Wireless Communications,” Cambridge Press, 2005.

Why are radios half duplex?

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TX ¡ RX ¡ RX ¡ TX ¡

Radio 1 Radio 2

“It is generally not possible for radios to receive and transmit

• n the same frequency band because of the interference that

results.”

• Andrea Goldsmith, “Wireless Communications,” Cambridge Press, 2005.

Why are radios half duplex?

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TX ¡ RX ¡ RX ¡ TX ¡

Radio 1 Radio 2

Self-Interference is a hundred billion times (110dB+) stronger than the received signal

Isn’t this easy to solve? After all we know the interfering signal, why can’t we just “subtract” it?

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Signal ¡Sent ¡

Do we know what we are transmitting?

Signal ¡Sent ¡ T x

PA ¡ DAC ¡

TX ¡

Mixer ¡

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Signal ¡Sent ¡

Do we know what we are transmitting?

Signal ¡Sent ¡ T x

PA ¡ DAC ¡

TX ¡ Centered ¡at ¡ ¡ Carrier ¡Freq ¡ (2.45GHz) ¡ ¡

Mixer ¡

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Signal ¡Sent ¡ Signal ¡Sent ¡ T x

PA ¡ DAC ¡

TX ¡ Centered ¡at ¡ ¡ Carrier ¡Freq ¡ (2.45GHz) ¡ ¡

Mixer ¡

Do we know what we are transmitting?

If you were to cancel, how much do we need?

Transmitted Signal

Power in dBm

• 10 dBm Harmonics
• 90 dBm Receiver Noise floor

Cancel residual in digital to reach noise floor 20 dBm Average Power

• 20 dBm Transmit noise

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Cancel entire 110 dB to reach noise floor Cancel 70 dB Tx noise to reach noise floor Cancel 70 dB in Analog in such a way to eliminate TX noise

• 80 dBm Harmonics

Cancelled Signal

Takeaways: Require 110dB of total cancellation, of which at least 70dB has to eliminate transmitter noise in analog.

Contributions

We have invented in-band single antenna full duplex radios

• Self-Interference cancellation that

eliminates everything to the noise floor

• Practically achieves close to expected

theoretical 2x throughput increase

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RX RF Frontend TX RF Frontend

T

+iT +δT

Circulator

Contributions

We have invented in-band single antenna full duplex radios

• Self-Interference cancellation that

eliminates everything to the noise floor

• Practically achieves close to expected

theoretical 2x throughput increase

Algorithms & circuits to estimate transceiver distortion and cancel self interference

• Hybrid (analog & digital) design with RF

cancellation circuit and DSP algorithms

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RX RF Frontend TX RF Frontend

T

+iT +δT

Circulator

Σ

Analog Cancellation

Eliminates all Tx noise and Protects ADC from saturating

Digital Cancellation

Eliminates all Linear and Non-Linear Distortion (Harmonics)

Σ

Mixed RF/Digital Design: Analog + Digital Cancellation

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Circulator (-15dB)

T T R+iT T

TX RF Frontend RX RF Frontend Digital Baseband

Analog RF Cancellation

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R

Circulator (-15dB)

T T T

TX RF Frontend RX RF Frontend Digital Baseband

εT iT

RF Cancellation Circuit Adaptive Algorithms

R+iT +δT

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a1 ¡ a6 ¡ a2 ¡ a5 ¡ a3 ¡ a4 ¡ a8 ¡ a7 ¡

TX RF Frontend RX RF Frontend Adaptive Algorithms

Analog RF Cancellation

d4 ¡ d1 ¡ d2 ¡ d3 ¡ d5 ¡ d6 ¡ d7 ¡ d8 ¡ εT iT

RF Cancellation Circuit Adaptive Algorithms

Analog Theory Intuition: Branch Delays

time (delay)

d1 d2

fixed ¡delays ¡

N ¡delay ¡aGenuaIon ¡branches ¡

control ¡ algorithm ¡

Σ ¡ interference signal

Delays are fundamentally related to sampling theory

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d1 ¡

a1 ¡

d2 ¡

a2 ¡ a3 ¡

d3 ¡

a4 ¡

d4 ¡

d

Analog Theory Intuition: Branch Delays

time (delay)

d1 d2 d3 d4

fixed ¡delays ¡

N ¡delay ¡aGenuaIon ¡branches ¡

control ¡ algorithm ¡

Σ ¡ interference signal

Delays are fundamentally related to sampling theory

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d1 ¡

a1 ¡

d2 ¡

a2 ¡ a3 ¡

d3 ¡

a4 ¡

d4 ¡

d

First branch pair: positive

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Estimating Branch Attenuation

How do we fix attenuation ranges?

d2 d1 d

First branch pair: positive

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Estimating Branch Attenuation

How do we fix attenuation ranges?

d2 d1 d a1 a2

Second branch pair (negative)

Estimating Branch Attenuation

How do we fix attenuation ranges?

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d4 d3 d2 d1 d a1 a2

Estimating Branch Attenuation

How do we fix attenuation ranges?

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Second branch pair (negative)

a4 a3 d4 d3 d2 d1 d a1 a2

Estimating Branch Attenuation

Adaptation to environmental changes: Assumption d known

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d4 d3 d2 d1 d a1 a2 a4 a3

Estimating Branch Attenuation

Adaptation to environmental changes

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d4 d3 d2 d1 d a1 a2 a4 a3

Estimating Branch Attenuation

Adaptation to environmental changes

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d4 d3 d2 d1 d a1 a2 a4 a3

Digital Baseband Cancellation

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isolator (-15dB)

T

Σ

T T

TX RF Frontend RX RF Frontend Digital Baseband Cancellation

Eliminates 2nd+ Order Non-Linearities (e.g. Intermod Products, LO leakage, IQ imbalance)

RF Cancellation Circuit Adaptive Algorithms

+δT + iT

Σ

Digital Baseband Cancellation

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TX RF Frontend RX RF Frontend Digital Baseband Cancellation

Eliminates 2nd+ Order Non-Linearities (e.g. Intermod Products, LO leakage, IQ imbalance)

RF Cancellation Circuit Adaptive Algorithms

Evaluation Q1: Does it work with commodity radios?

• Challenge: ¡Extremely ¡high ¡

transmi6er ¡noise ¡and ¡non-­‑ lineari:es ¡

• 20MHz ¡BW ¡(transceiver ¡limitaIon) ¡
• 25dBm ¡max ¡TX ¡power ¡
• WiFi ¡802.11n ¡PHY ¡

Goal: ¡Build ¡a ¡full ¡duplex ¡radio ¡ using ¡a ¡cheap ¡$2 ¡COTS ¡Maxim ¡ transceiver ¡(same ¡as ¡the ¡one ¡ in ¡WARP) ¡

• Commodity

transceiver

Digital

~40dB +

Total

>110dB =

Analog

>70dB

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• ­‑100 ¡
• ­‑85 ¡
• ­‑70 ¡
• ­‑55 ¡
• ­‑40 ¡
• ­‑25 ¡
• ­‑10 ¡

5 ¡ 20 ¡ 2.43 ¡ 2.44 ¡ 2.45 ¡ 2.46 ¡ 2.47 ¡ Power ¡in ¡dBm ¡ Freq ¡in ¡Ghz ¡

WARP ¡20 ¡Mhz ¡

Tx ¡Signal ¡ Residual ¡Signal ¡ a]er ¡AC ¡ Residual ¡Signal ¡ a]er ¡DC ¡ Noise ¡Floor ¡

72 ¡dB ¡ 38 ¡dB ¡

Evaluation Q1: Does it work with commodity radios?

• Commodity

transceiver

• Tunes to

environmental changes within 8us, needs to be re-tuned every 100ms

Digital

~40dB +

Total

>110dB =

Analog

>70dB

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• ­‑100 ¡
• ­‑85 ¡
• ­‑70 ¡
• ­‑55 ¡
• ­‑40 ¡
• ­‑25 ¡
• ­‑10 ¡

5 ¡ 20 ¡ 2.43 ¡ 2.44 ¡ 2.45 ¡ 2.46 ¡ 2.47 ¡ Power ¡in ¡dBm ¡ Freq ¡in ¡Ghz ¡

WARP ¡20 ¡Mhz ¡

Tx ¡Signal ¡ Residual ¡Signal ¡ a]er ¡AC ¡ Residual ¡Signal ¡ a]er ¡DC ¡ Noise ¡Floor ¡

72 ¡dB ¡ 38 ¡dB ¡

Evaluation Q1: Does it work with commodity radios?

How do we compare against prior designs?

20 MHz Bandwidth. WiFi OFDM waveform, 25 dBm TX power

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Compared ¡Approaches ¡ ¡ ¡ ¡ Our ¡Design ¡ Balun ¡CancellaIon ¡ (Mobicom’11) ¡ Extra-­‑Tx ¡Chain ¡Design ¡ (Sigcomm’11, ¡Asilomar’11) ¡

How do we compare against prior designs?

20 MHz Bandwidth. WiFi OFDM waveform, 25 dBm TX power

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Compared ¡Approaches ¡ Cancella:on ¡in ¡ ¡ (dB) ¡ Our ¡Design ¡ 110 ¡ ¡ Balun ¡CancellaIon ¡ (Mobicom’11) ¡ 85 ¡ Extra-­‑Tx ¡Chain ¡Design ¡ (Sigcomm’11, ¡Asilomar’10) ¡ 80 ¡

How do we compare against prior designs?

20 MHz Bandwidth. WiFi OFDM waveform, 25 dBm TX power

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Minimum ¡SNR ¡required ¡ ¡ for ¡receiving ¡a ¡packet ¡ ¡Self-­‑interference ¡residue ¡ ¡ ¡ ¡over ¡noise ¡floor ¡

> ¡

Compared ¡Approaches ¡ Cancella:on ¡in ¡ ¡ (dB) ¡ Self-­‑interference ¡ ¡ residue ¡over ¡noise ¡floor ¡(dB) ¡ Our ¡Design ¡ 110 ¡ ¡ ~1 ¡ Balun ¡CancellaIon ¡ (Mobicom’11) ¡ 85 ¡ 25 ¡ Extra-­‑Tx ¡Chain ¡Design ¡ (Sigcomm’11, ¡Asilomar’10) ¡ 80 ¡ 30 ¡ ¡ ¡

Evaluation Q2: Does that translate to doubling of throughput in practice?

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Throughput ¡of ¡FD ¡ Throughput ¡of ¡HD ¡

Gain ¡= ¡

• Testbed: ¡Indoor ¡office ¡noisy ¡environment, ¡various ¡

locaIons ¡for ¡the ¡two ¡full ¡duplex ¡radios. ¡ ¡

• Compare ¡throughput ¡achieved ¡in ¡full ¡duplex ¡with ¡

that ¡achieved ¡in ¡half ¡duplex ¡

• Full ¡duplex ¡implemented ¡using ¡our ¡approach, ¡and ¡

prior ¡balun ¡and ¡extra ¡TX ¡chain ¡based ¡approaches ¡ ¡

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0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1 ¡ 0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡

CDF ¡ Gain ¡vs ¡Half ¡Duplex ¡ Balun ¡CancellaIon ¡ Extra ¡TransmiGer ¡ Our ¡Design ¡

Worse ¡than ¡standard ¡ Half ¡Duplex ¡

1.97x ¡median ¡gain ¡

Evaluation Q2: Does that translate to doubling of throughput in practice?

Our design achieves the theoretical throughput doubling, prior designs worse than half duplex 90% of the time

To Conclude

Key contribution: Cancellation design that eliminates all self- interference to the noise floor

– Full duplex radio is one application of this interference cancellation technique. – Widely applicable (Picasso, IMDShield, WiVi, Dhwani, …)

Emphasizes the need for an interdisciplinary approach that combines RF circuit design, signal processing and communication algorithm design

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Questions

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