Wireless partial-duplex communications

Wireless communication exploits electromagnetic signals that are broadcast by a transmitter device acting as a sender or as an intermediate relay. The communication between two devices occurs when the receiver device captures these signals creating a wireless communication bridge with the sender device. Wireless communications express technologies in many different system families, such as Wireless Personal Area Networks (WPAN), Wireless Local Area Networks (WLAN), Metropolitan Area Networks (MAN), mobile cellular systems, satellite communication, etc. So far wireless systems cannot transmit and receive on the same frequency band at the same time (Full-Duplex wireless communications) due to the strong Self-Interference (SI). The duplexing of transmission and reception must be done via either frequency division, i.e. Frequency Division Duplex (FDD), or time division, i.e. Time Division Duplex (TDD). In fact, Full-Duplex (FD) wireless communication means facing a high amount of SI that should be canceled. The SI (or echo) canceler is indeed one of the most critical components and key-factors of wireless FD communication systems: in this context, it offers the potential to complement and sustain two-way communications and, in general, Self-Interference Cancellation Schemes (SICS) are expected to have a tremendous impact on the implementation of two-way communications. Wireless FD potentially has the ability to make double the spectral efficiency with respect to traditional Half-Duplex (HD) operation. This phenomenon happens by exploiting the same wireless resource to transmit and receive at the same time, with the cost of a large power difference between its own transmitted signal, i.e. SI from its own transmitted signal, and the low-power received signal from the other transceiver. The SI can be reduced gradually, thanks to the different Self-Interference Cancellation (SIC) techniques at radio frequency and baseband levels. However, this potential still suffers from the residual SI and the resulting short distance range of communication. This research activity has been focused on the analysis and design of new schemes for wireless communication based on the reuse of the same channel for both communication directions (FD) in order to increase link performance in terms of transmission range or capacity. The proposed solutions are intended to relax the challenging constraints of the self-interference cancelers; in addition they provide, especially in multicarrier systems, an additional flexibility degree in the resource allocation strategies in presence of multiple channels and interfering devices. Therefore, in order to overcome these issues, this research introduced a new scheme, named as Partial-Duplex (PD) approach: this solution consists of a communication link with the capability of supporting the connection in both directions at the same time in a portion of the bandwidth and with a frequency division for the two communication directions (for example uplink and downlink) in the rest of the band. The rationale behind this approach is to limit the level of SI finding a compromise between HD and FD transmission and relaxing consequently the constraints on the echo canceller design in order to increase the distance range between transmitter and receiver. Equivalently, PD transmission aims to increase the overall bidirectional system rate w.r.t. an equivalent HD system, relaxing at the same time the high SIC requirements that practical FD systems have to provide. This hybrid transmission method between classical HD and FD is considered for point-to-point single carrier and multi-carrier (Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)) links experiencing Additive White Gaussian Noise (AWGN) channels and also random fading, flat or frequency selective. In the first part of the study, the regions of SIC performance where PD systems outperform HD ones in terms of achievable spectral efficiency are analyzed by deriving the analytical distributions of the spectral efficiency gain regions in presence of random frequency-selective fading, for different strategies in the selection of FD sub-carriers in PD schemes; therefore, it is investigated the potential of this hybrid method, highlighting the role of the different parameters involved and the peculiarities of this flexible system design approach. Nevertheless, we have wondered also how to see this approach in the upcoming next generation of wireless networks Fifth Generation of mobile communications (5G), where some common trends and promising technologies have been already identified. In addition to capacity gain and improvement of performance, which are expected from network densification, device-to-device communication, and small cells, we can mention an increased spectrum sharing and integration as well as spectrum enhanced carrier aggregation and other advanced wireless communication technologies like massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) and resource management based on machine learning. As an example, massive Machine Type Communication (mMTC) is one of the use cases of 5G and it is expected to increase significantly both the number of connected devices to the network and the traffic. In these cases, a proper use of wireless PD communication can improve the overall throughput of the mobile network. In this context, the second part of this study has been focused on the channel encoding for PD. One of the best candidates for efficient channel coding and error correction is the class of Low Density Parity Check (LDPC) codes. We have identified that, in Partial Duplex Communication (PDC), the receiver faces a mixture of high and low bit (symbol) Signal-to-Noise Ratio (SNR) in the same codeword, a condition associated with a scheme in which part of the bits/sub-carriers is subject to FD interference. LDPC codes have shown, also w.r.t. turbo and polar codes, the best performance for PD and we have studied how to optimize further their performance in this specific context. The Digital Video Broadcasting- Second Edition (DVB-S2) was one of the standards that includes the use of LDPC. These codes were implemented for long codewords and we proposed to create LDPC codewords with arbitrary length, derived from the original DVB-S2 but maintaining the same parity check matrix structure. Then, the application of this class of LDPC codes, derived from DVB-S2 to PD communication can be improved by a specific allocation techniques of the high and low SNR bits, suited to PD communications. The main innovative results of this activity are related to the fact that, in the Partial Duplex Scheme (PDS), part of the band is transmitted in FD and the rest in HD and, consequently, some transmitted bits (in single carrier) and sub-carriers (in OFDM) will be characterized by high SNR and the others by low SNR according to a pattern which is known, a-priori, by the system. Therefore, combining properly the patterns of these high and low SNR bits affects the coding performance of the system in a way that depends also on the parity check matrix structure of the code used in the transmission. In addition, in order to validate further the results and according to upcoming 5G standardization, this channel encoding procedure has been applied also to the 5G encoding schemes recently considered by 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Mainly two types of channel coding are adopted in 5G, Polar and LDPC codes. Therefore, in this part of the study, we have investigated and compared our approach in the context of 3GPP standard for 5G and Long Term Evolution (LTE), showing the performance of encoded PD. Results have turned out to be really promising for a specific class of LDPC codes, when, as in PD, we can exploit the a-priori knowledge of high and low SNR bits in the transmitted codeword with a specific bit allocation.

La comunicazione radio utilizza i segnali elettromagnetici appartenenti alle onde radio dello spettro elettromagnetico per realizzare una trasmissione dell’ informazione di tipo wireless (’senza fili’). I vantaggi di trasmettere in modalità wireless, rispetto alla modalità cablata, hanno motivato lo sviluppo di diverse tecnologie radio alla base delle Personal Area Network, Local Area Network e Metropolitan Area Network, oltre, naturalmente, ai sistemi mobili e ai sistemi satellitari. I sistemi con collegamenti cablati (via cavo) permettono trasmissioni bidirezionali in modalità Full-Duplex (FD), cioè contemporanee e sulla stessa banda, mentre nelle trasmissioni radio, dove il canale di propagazione è intrinsecamente condiviso, la trasmissione bidirezionale avviene in modalità Half-Duplex (HD) , assegnando diversi istanti temporali (Time Division Duplex, TDD) o diverse bande spettrali (Frequency Division Duplex, FDD) alle trasmissioni nelle due direzioni. Infatti, in collegamenti radio FD la ricezione del segnale è fortemente disturbata dall’eco del segnale trasmesso. Le trasmissioni radio FD permettono teoricamente di raddoppiare l’efficienza spettrale rispetto alla trasmissione tradizionale HD e quindi sono di grande interesse pratico ma l’interferenza provocata dall’eco del segnale trasmesso, detta Self-Interference (SI), risulta di grande disturbo, avendo potenza elevata, rispetto a quella del segnale ricevuto (il quale sperimenta l’attenuazione del cammino di propagazione). La fattibilità di comunicazioni radio FD richiede il progetto di efficaci strutture per la cancellazione dell’eco (Self Interference Canceler o SIC). In letteratura sono stati proposti schemi a più stadi, analogici e digitali ma, per quanto efficaci, tali strutture non riescono a cancellare completamente l’interferenza e le prestazioni dei sistemi radio FD devono tenere conto dell’effetto di una parte residua di SI, che limita la comunicazione solo a brevi distanze. L’attività svolta nella tesi si inquadra in questo contesto, ovvero sull’analisi e sulla progettazione di nuovi schemi per la comunicazione radio FD, basati sul riutilizzo dello stesso canale per entrambe le direzioni di comunicazione, al fine di aumentare le prestazioni del collegamento in termini di portata o capacità di trasmissione. Le soluzioni proposte sono destinate a rendere meno stringenti i requisiti dei cancellatori di SI; in aggiunta, sono pensate per aumentare la flessibilità nelle strategie di allocazione delle risorse in presenza di sistemi multi-canale e/o multi-utente. Per rilassare i vincoli sui requisiti del cancellatore d’eco e accettare valori più elevati di SI residua, si è studiata una nuova modalità di trasmissione denominata Partial Duplex (PD), una soluzione ibrida tra le classiche HD e FD. Questa soluzione consiste nella partizione della banda in due porzioni: una porzione serve entrambe le direzioni in modalità FD, mentre l’altra lavora in modalità HD, cioè a sua volta viene suddivisa tra le due direzioni del collegamento. Il nuovo schema introduce un parametro di progetto, il Partial Duplex Parameter (PDP) definito come la frazione di banda che viene operata in HD: per PDP = 0 il metodo proposto coincide con il classico HD e per PDP = 1 il metodo proposto coincide con FD. Al variare del parametro PDP, il sistema proposto dimostra la sua flessibilità, consentendo di negoziare una perdita di efficienza spettrale, rispetto a quella teorica ottenibile con un sistema FD, a fronte di un maggiore livello di SI residuo accettabile e quindi di un rilassamento sui requisiti delle strutture di cancellazione dell’eco. Questo nuovo metodo di trasmissione PD, ibrido tra le modalità classiche HD e FD, è stato studiato per i collegamenti punto-punto sia a singola portante che multiportante OFDM, in presenza di canali AWGN con o senza attenuazione casuale selettiva in frequenza, adottando diverse strategie di partizione della banda. Le prestazioni dello schema proposto sono state studiate in termini di potenziali vantaggi di efficienza spettrale rispetto al sistema HD, per differenti capacità di cancellazione dell’eco (SIC) a diversi valori di PDP. Così, ipotizzando un singolo collegamento bidirezionale che adotta l’approccio PD, i valori di SIC che permettono guadagni di efficienza spettrale rispetto alla soluzione HD, sono state ricavati sia analiticamente che per via simulativa, su canali AWGN e canali che introducono attenuazione casuale selettiva in frequenza, evidenziando il ruolo dei diversi parametri in gioco, come la strategia di partizione della banda, il parametro PDP e la banda di coerenza del canale. Lo studio è stato condotto sia con un modello di canale con attenuazione di Rayleigh selettiva in frequenza sia con un modello ITU-V presente nello standard 3GPP, e ha permesso di mostrare il potenziale di questo metodo, sottolineando la peculiarità della flessibilità che questo approccio presenta, potendo agire su diversi parametri di progetto a seconda dei vincoli e dei requisiti del sistema. Nella seconda parte della tesi, ci siamo chiesti come vedere questo approccio anche nell’ambito della prossima generazione di reti radio 5G, dove sono già stati identificati alcuni trend e tecnologie promettenti. Oltre all’aumento della capacità e al miglioramento delle prestazioni, attesi dalla densificazione della rete, dalla comunicazione tra dispositivi ("device-to-device") e dalle celle di piccole dimensioni, possiamo menzionare una maggiore condivisione e integrazione dello spettro, nonché tecnologie di comunicazione radio avanzate come il massive MIMO e la gestione delle risorse basate sul "machine learning". Ad esempio, la comunicazione "massive Machine Type" (mMTC) è uno dei nuovi casi d’uso del 5G e prevede di aumentare significativamente il numero di dispositivi connessi alla rete e il traffico corrispondente. In questi casi, un corretto utilizzo della comunicazione radio PD e FD può migliorare significativamente la capacità complessiva della rete mobile. In questo contesto, la seconda parte di questo studio è stata incentrata sulla codifica del canale per il PD. Uno dei migliori candidati per la codifica del canale e la correzione degli errori è risultata la classe di codici LDPC. Abbiamo identificato che, nella comunicazione PD, il ricevitore si trova di fronte a una miscela di SNR alti e bassi nella stessa parola di codice, condizione associata a uno schema in cui solo parte dei bit è soggetta a interferenze FD. I codici LDPC hanno dimostrato un vantaggio rispetto ai codici turbo e polari e abbiamo studiato come ottimizzare ulteriormente le loro prestazioni nello specifico contesto PD. Dagli standard DVB-S2 e 5G abbiamo derivato la struttura dei codici LDPC testati, estendendola per la generazione di parole con lunghezza arbitraria ma preservando la stessa struttura della matrice di controllo di parità. In aggiunta abbiamo visto come l’applicazione di queste classi di codici LDPC alla comunicazione PD può essere migliorata mediante tecniche di allocazione specifiche per i bit a SNR alto e basso, tipici delle comunicazioni PD. I principali risultati innovativi di questa attività sono legati al fatto che, in schemi PD, parte della banda viene trasmessa in FD e il resto in HD e, di conseguenza, alcuni bit trasmessi saranno caratterizzati da alto SNR mentre gli altri da basso SNR secondo un modello che è noto a-priori dal sistema. Pertanto, combinando correttamente i pattern di questi bit a SNR alti e bassi si influisce sulle prestazioni di codifica del sistema in un modo che dipende anche dalla struttura della matrice di controllo di parità del codice utilizzato nella trasmissione. Al fine di convalidare ulteriormente i risultati, queste procedure di codifica e allocazione dei canali sono state testate anche sugli altri schemi di codifica 5G recentemente considerati da 3GPP. Pertanto, in questa parte dell’attività, abbiamo studiato e confrontato il nostro approccio nel contesto dello standard 3GPP per 5G e LTE, mostrando le prestazioni della trasmissione PD codificata. I risultati si sono rivelati promettenti in particolare per una specifica classe di codici LDPC, associati alla trasmissione PD e a una strategia di allocazione dei bit.