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

Full Duplex Radios Dinesh Bharadia, Emily McMilin, Sachin Katti Stanford University 8/14/13 1

“It is generally not possible for radios to receive and transmit on the same frequency band because of the interference that results.” - Andrea Goldsmith, “Wireless Communications,” Cambridge Press, 2005. Why are radios half duplex? Radio 1 Radio 2 TX ¡ RX ¡ RX ¡ TX ¡ 8/14/13 2

“It is generally not possible for radios to receive and transmit on the same frequency band because of the interference that results.” - Andrea Goldsmith, “Wireless Communications,” Cambridge Press, 2005. Why are radios half duplex? Radio 1 Radio 2 TX ¡ RX ¡ RX ¡ TX ¡ Self-Interference is a hundred billion times (110dB+) stronger than the received signal 8/15/13 3

Isn’t this easy to solve? After all we know the interfering signal, why can’t we just “subtract” it? 8/14/13 4

Do we know what we are transmitting? Signal ¡Sent ¡ Signal ¡Sent ¡ T TX ¡ PA ¡ Mixer ¡ DAC ¡ x 8/14/13 5

Do we know what we are transmitting? Signal ¡Sent ¡ Signal ¡Sent ¡ T TX ¡ PA ¡ Mixer ¡ DAC ¡ x Centered ¡at ¡ ¡ Carrier ¡Freq ¡ (2.45GHz) ¡ ¡ 8/15/13 6

Do we know what we are transmitting? Signal ¡Sent ¡ Signal ¡Sent ¡ T TX ¡ PA ¡ Mixer ¡ DAC ¡ x Centered ¡at ¡ ¡ Carrier ¡Freq ¡ (2.45GHz) ¡ ¡ 8/14/13 7

If you were to cancel, how much do we need? Transmitted Signal Cancelled Signal 20 dBm Average Power Cancel 70 dB in Analog in such a way to eliminate TX noise Power in dBm Cancel entire 110 -10 dBm Harmonics dB to reach noise floor -20 dBm Transmit noise Cancel 70 dB Tx noise to reach noise floor Cancel residual in digital to reach noise floor -80 dBm Harmonics -90 dBm Receiver Noise floor Takeaways: Require 110dB of total cancellation, of which at least 70dB has to eliminate transmitter noise in analog. 8/15/13 8

Contributions T We have invented in-band single Circulator antenna full duplex radios • Self-Interference cancellation that +iT eliminates everything to the noise floor • Practically achieves close to expected theoretical 2x throughput increase + δ T TX RF RX RF Frontend Frontend 8/14/13 9

Contributions T We have invented in-band single Circulator antenna full duplex radios • Self-Interference cancellation that +iT eliminates everything to the noise floor Analog Cancellation • Practically achieves close to expected Σ Eliminates all Tx noise and theoretical 2x throughput increase + δ T Protects ADC from saturating Algorithms & circuits to TX RF RX RF Frontend Frontend estimate transceiver distortion and cancel self interference Digital Cancellation • Hybrid (analog & digital) design with RF Σ Eliminates all Linear and cancellation circuit and DSP algorithms Non-Linear Distortion (Harmonics) 8/14/13 10

Mixed RF/Digital Design: Analog + Digital Cancellation T R+iT Circulator (-15dB) T T TX RX RF Frontend RF Frontend Digital Baseband 8/14/13 11

Analog RF Cancellation R T Circulator (-15dB) R+iT T iT ε T RF Cancellation Circuit T + δ T TX RX Adaptive Algorithms RF Frontend RF Frontend Digital Baseband 8/14/13 12

Analog RF Cancellation d 1 ¡ a 1 ¡ d 2 ¡ a 2 ¡ d 3 ¡ a 3 ¡ RF Cancellation Circuit d 4 ¡ ε T iT a 4 ¡ d 5 ¡ a 5 ¡ d 6 ¡ a 6 ¡ d 7 ¡ Adaptive Algorithms a 7 ¡ d 8 ¡ a 8 ¡ Adaptive Algorithms TX RX RF Frontend RF Frontend 8/15/13 13

Analog Theory Intuition: Branch Delays N ¡delay ¡aGenuaIon ¡branches ¡ d 3 ¡ a 3 ¡ interference signal d 1 ¡ a 1 ¡ Σ ¡ d 2 ¡ a 2 ¡ d 4 ¡ a 4 ¡ fixed ¡delays ¡ control ¡ algorithm ¡ d d 1 d 2 time (delay) Delays are fundamentally related to sampling theory 8/14/13 14

Analog Theory Intuition: Branch Delays N ¡delay ¡aGenuaIon ¡branches ¡ d 3 ¡ a 3 ¡ interference signal d 1 ¡ a 1 ¡ Σ ¡ d 2 ¡ a 2 ¡ d 4 ¡ a 4 ¡ fixed ¡delays ¡ control ¡ algorithm ¡ d d 1 d 3 d 2 d 4 time (delay) Delays are fundamentally related to sampling theory 8/14/13 15

Estimating Branch Attenuation How do we fix attenuation ranges? d 1 d d 2 First branch pair: positive 8/15/13 16

Estimating Branch Attenuation How do we fix attenuation ranges? a 1 a 2 d 1 d d 2 First branch pair: positive 8/14/13 17

Estimating Branch Attenuation How do we fix attenuation ranges? a 1 a 2 d 3 d 4 d 1 d d 2 Second branch pair (negative) 8/15/13 18

Estimating Branch Attenuation How do we fix attenuation ranges? a 1 a 2 d 3 d 4 d 1 d d 2 a 3 a 4 Second branch pair (negative) 8/15/13 19

Estimating Branch Attenuation Adaptation to environmental changes: Assumption d known a 1 a 2 d 3 d 4 d 1 d d 2 a 3 a 4 8/15/13 20

Estimating Branch Attenuation Adaptation to environmental changes a 2 a 1 d 3 d 4 d 1 d d 2 a 3 a 4 8/15/13 21

Estimating Branch Attenuation Adaptation to environmental changes a 1 a 2 d 3 d 4 d 1 d d 2 a 4 a 3 8/15/13 22

Digital Baseband Cancellation T isolator (-15dB) T + iT Σ RF Cancellation Circuit T + δ T TX RX Adaptive Algorithms RF Frontend RF Frontend Digital Baseband Cancellation Eliminates 2 nd + Order Non-Linearities (e.g. Intermod Products, LO leakage, IQ imbalance) 8/14/13 23

Digital Baseband Cancellation Σ RF Cancellation Circuit TX RX Adaptive Algorithms RF Frontend RF Frontend Digital Baseband Cancellation Eliminates 2 nd + Order Non-Linearities (e.g. Intermod Products, LO leakage, IQ imbalance) 8/14/13 24

Evaluation Q1: Does it work with commodity radios? Goal: ¡Build ¡a ¡full ¡duplex ¡radio ¡ using ¡a ¡cheap ¡$2 ¡COTS ¡Maxim ¡ transceiver ¡(same ¡as ¡the ¡one ¡ in ¡WARP) ¡ • Challenge: ¡ Extremely ¡high ¡ transmi6er ¡noise ¡and ¡non-­‑ lineari:es ¡ • 20MHz ¡BW ¡(transceiver ¡limitaIon) ¡ • 25dBm ¡max ¡TX ¡power ¡ • WiFi ¡802.11n ¡PHY ¡

Evaluation Q1: Does it work with commodity radios? WARP ¡20 ¡Mhz ¡ • Commodity 20 ¡ Tx ¡Signal ¡ 5 ¡ transceiver Power ¡in ¡dBm ¡ -­‑10 ¡ 72 ¡dB ¡ Residual ¡Signal ¡ -­‑25 ¡ a]er ¡AC ¡ -­‑40 ¡ Residual ¡Signal ¡ -­‑55 ¡ 38 ¡dB ¡ a]er ¡DC ¡ -­‑70 ¡ -­‑85 ¡ Noise ¡Floor ¡ -­‑100 ¡ 2.43 ¡ 2.44 ¡ 2.45 ¡ 2.46 ¡ 2.47 ¡ Freq ¡in ¡Ghz ¡ Digital Total Analog + ~40dB = >110dB >70dB 8/14/13 26

Evaluation Q1: Does it work with commodity radios? WARP ¡20 ¡Mhz ¡ • Commodity 20 ¡ Tx ¡Signal ¡ 5 ¡ transceiver Power ¡in ¡dBm ¡ -­‑10 ¡ 72 ¡dB ¡ Residual ¡Signal ¡ -­‑25 ¡ • Tunes to a]er ¡AC ¡ -­‑40 ¡ environmental Residual ¡Signal ¡ -­‑55 ¡ changes within 38 ¡dB ¡ a]er ¡DC ¡ -­‑70 ¡ 8us, needs to -­‑85 ¡ Noise ¡Floor ¡ be re-tuned -­‑100 ¡ every 100ms 2.43 ¡ 2.44 ¡ 2.45 ¡ 2.46 ¡ 2.47 ¡ Freq ¡in ¡Ghz ¡ Digital Total Analog + ~40dB = >110dB >70dB 8/14/13 27

How do we compare against prior designs? 20 MHz Bandwidth. WiFi OFDM waveform, 25 dBm TX power Compared ¡Approaches ¡ ¡ ¡ ¡ Our ¡Design ¡ Balun ¡CancellaIon ¡ (Mobicom’11) ¡ Extra-­‑Tx ¡Chain ¡Design ¡ (Sigcomm’11, ¡Asilomar’11) ¡ 8/14/13 28

How do we compare against prior designs? 20 MHz Bandwidth. WiFi OFDM waveform, 25 dBm TX power Compared ¡Approaches ¡ Cancella:on ¡in ¡ ¡ (dB) ¡ Our ¡Design ¡ 110 ¡ ¡ Balun ¡CancellaIon ¡ 85 ¡ (Mobicom’11) ¡ Extra-­‑Tx ¡Chain ¡Design ¡ 80 ¡ (Sigcomm’11, ¡Asilomar’10) ¡ 8/14/13 29

How do we compare against prior designs? 20 MHz Bandwidth. WiFi OFDM waveform, 25 dBm TX power Compared ¡Approaches ¡ Cancella:on ¡in ¡ ¡ Self-­‑interference ¡ ¡ (dB) ¡ residue ¡over ¡noise ¡floor ¡(dB) ¡ Our ¡Design ¡ 110 ¡ ¡ ~1 ¡ Balun ¡CancellaIon ¡ 85 ¡ 25 ¡ (Mobicom’11) ¡ Extra-­‑Tx ¡Chain ¡Design ¡ 80 ¡ 30 ¡ ¡ (Sigcomm’11, ¡Asilomar’10) ¡ ¡ Minimum ¡SNR ¡required ¡ ¡ ¡Self-­‑interference ¡residue ¡ ¡ ¡ > ¡ for ¡receiving ¡a ¡packet ¡ ¡over ¡noise ¡floor ¡ 8/15/13 30

Evaluation Q2: Does that translate to doubling of throughput in practice? • 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 ¡ ¡ Throughput ¡of ¡FD ¡ Gain ¡= ¡ Throughput ¡of ¡HD ¡ 8/14/13 31