孫彥景，左海維，李　松

( 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院　江蘇 徐州　221116；江蘇省煤礦電氣與自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室　江蘇 徐州　221008)

帶內(nèi)全雙工無(wú)線通信自干擾消除及MAC調(diào)度研究綜述

孫彥景，左海維，李松

( 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院江蘇 徐州221116；江蘇省煤礦電氣與自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室江蘇 徐州221008)

帶內(nèi)全雙工(in-band full-duplex，IBFD)無(wú)線通信允許節(jié)點(diǎn)在同一頻段上同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，與傳統(tǒng)雙工相比理論上最大可成倍提高頻譜利用率。分析了IBFD無(wú)線全雙工通信需要解決的主要技術(shù)問(wèn)題，系統(tǒng)性地歸納了IBFD無(wú)線通信研究現(xiàn)狀。介紹了IBFD無(wú)線通信系統(tǒng)模型和關(guān)鍵技術(shù)，特別強(qiáng)調(diào)了自干擾消除方法和媒體接入控制(medium access control，MAC)層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制的研究。最后結(jié)合當(dāng)前研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，提出了未來(lái)IBFD無(wú)線通信發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

帶內(nèi)全雙工;MAC協(xié)議;自干擾消除;頻譜利用率;無(wú)線通信

無(wú)線通信可提供多樣化的信息服務(wù)，隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)量和用戶需求飛速的增加，可分配的無(wú)線頻譜資源日益緊張，然而用戶發(fā)展、技術(shù)升級(jí)等業(yè)務(wù)都需要以充裕的頻譜資源為基礎(chǔ)。近年來(lái)，針對(duì)頻譜資源這一制約無(wú)線通信發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，研究人員相繼提出很多提高頻譜利用率的新技術(shù)與方法[1-4]。其中，IBFD無(wú)線通信允許節(jié)點(diǎn)在同一頻段上同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，與現(xiàn)有的半雙工(half duplex，HD)、時(shí)分雙工和頻分雙工相比，理論上最大可成倍提高頻譜利用率[5]，在無(wú)線通信領(lǐng)域備受關(guān)注。

IBFD無(wú)線通信的瓶頸性技術(shù)問(wèn)題，主要是受自干擾信號(hào)的影響。無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)在接收過(guò)程中，自干擾信號(hào)與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的有用信號(hào)相比，功率差值很大，嚴(yán)重制約了接收電路解碼有用信號(hào)的性能[2]。受硬件電路設(shè)計(jì)及無(wú)線傳輸環(huán)境變化等影響，目前尚不能簡(jiǎn)單地從接收電路去除自干擾信號(hào)。因此，自干擾信號(hào)消除成為實(shí)現(xiàn)IBFD無(wú)線通信首先需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

IBFD無(wú)線通信在提高頻譜效率的同時(shí)，還使研究人員能夠利用帶內(nèi)全雙工無(wú)線通信技術(shù)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，提升網(wǎng)絡(luò)性能。例如，在無(wú)線局域網(wǎng)MAC協(xié)議中實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)方法的突破，在競(jìng)爭(zhēng)型網(wǎng)絡(luò)中IBFD節(jié)點(diǎn)在發(fā)送的同時(shí)能夠檢測(cè)是否有碰撞發(fā)生，能夠接收同一信道其他節(jié)點(diǎn)的即時(shí)反饋信息，從而減少無(wú)線通信隱藏終端所導(dǎo)致的丟包問(wèn)題，增加網(wǎng)絡(luò)的公平性和吞吐量[6]。文獻(xiàn)[7]提出綜合半雙工和全雙工技術(shù)的虛擬全雙工無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鄰居發(fā)現(xiàn)等問(wèn)題。

隨著IBFD無(wú)線全雙工通信研究的深入，其提高頻譜利用率的優(yōu)勢(shì)在無(wú)線通信領(lǐng)域已被認(rèn)可[2,5,8-10]。Rice、Stanford等國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和院校逐漸開(kāi)展IBFD及其綜合性應(yīng)用的研究工作。尤其在發(fā)送功率較低的短距離無(wú)線通信應(yīng)用中，自干擾信號(hào)影響較小，為IBFD的發(fā)展應(yīng)用提供了有利條件。Rice大學(xué)提出的分布式全雙工和Northwestern大學(xué)提出的虛擬全雙工[11-12]，實(shí)現(xiàn)全雙工設(shè)備與半雙工設(shè)備之間的無(wú)線通信，為IBFD基站和傳統(tǒng)雙工小型移動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)建提供了可行性。

隨著IBFD在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的研究逐漸深入，研究人員開(kāi)始嘗試向?qū)嵱眯訧BFD的方向發(fā)展，將IBFD應(yīng)用到多用戶網(wǎng)絡(luò)中來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)容量[13-15]，把IBFD與認(rèn)知無(wú)線電、5G和MIMO等其他提高頻譜效益技術(shù)的研究相結(jié)合開(kāi)展研究[16-18]，研究結(jié)果進(jìn)一步證明了IBFD能夠與其他無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合，提高頻譜利用率。

本文首先分析了IBFD無(wú)線全雙工通信主要的技術(shù)問(wèn)題，并介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究?jī)?nèi)容與技術(shù)，系統(tǒng)性地歸納了IBFD無(wú)線通信的研究現(xiàn)狀。在IBFD無(wú)線通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，從物理層(physical layer，PHY)自干擾消除和MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制兩方面進(jìn)行了分析和對(duì)比。最后，結(jié)合當(dāng)前的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)提出了未來(lái)IBFD無(wú)線通信發(fā)展趨勢(shì)和主要研究方向。

1　IBFD無(wú)線通信問(wèn)題

IBFD單節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信如圖1所示，節(jié)點(diǎn)接收天線Rx在接收來(lái)自遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的有用信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)接收來(lái)自自身節(jié)點(diǎn)發(fā)射天線Tx發(fā)送出去的信號(hào)，此信號(hào)稱為自干擾信號(hào)。遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)有用信號(hào)在無(wú)線傳輸過(guò)程中大幅衰減，被Rx接收的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)有用信號(hào)遠(yuǎn)小于來(lái)自發(fā)射天線的大功率自干擾信號(hào)，使得節(jié)點(diǎn)難以解碼有用信號(hào)[19-20]。因此，要保證IBFD節(jié)點(diǎn)在同一頻段同一時(shí)間發(fā)送和接收無(wú)線信號(hào)，首先需要解決消除自干擾信號(hào)這一難題。

下面以蜂窩系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)手機(jī)為IBFD無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，理想情況下手機(jī)與基站無(wú)線通信時(shí)，手機(jī)輸出信號(hào)強(qiáng)度一般約為+20 dBm，接收自基站的有用信號(hào)強(qiáng)度衰減至?90 dBm，如圖1所示。假設(shè)自干擾信號(hào)強(qiáng)度受天線隔離影響可減小至+10 dBm，手機(jī)接收到的自干擾信號(hào)功率將是基站有用信號(hào)功率的109倍，甚至更多，此時(shí)接收電路根本無(wú)法解碼有用信號(hào)。需要將自干擾信號(hào)功率降低到?90 dBm甚至完全消除，接收電路才能正常工作。因此，IBFD無(wú)線通信過(guò)程首要的任務(wù)就是消除自干擾信號(hào)。

圖1 IBFD單節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信問(wèn)題描述

對(duì)于自身節(jié)點(diǎn)而言，自干擾信號(hào)內(nèi)容和調(diào)制方式是可知的。自干擾信號(hào)消除的思想和方法來(lái)源于較為成熟的回波抵消技術(shù)[10]，接收電路可以此為依據(jù)進(jìn)行自干擾消除，理論上較容易解決。但實(shí)際上IBFD無(wú)線通信的自干擾信號(hào)并不能完全消除，主要原因有：1)自干擾消除電路和算法設(shè)計(jì)不足，不能夠?qū)⒆愿蓴_信號(hào)的功率降低至不影響有用信號(hào)解碼的水平；2)無(wú)法精確模擬無(wú)線自干擾傳播信道狀態(tài)，接收電路不能徹底去除經(jīng)衰減和延時(shí)的自干擾信號(hào)。

自干擾信號(hào)的存在嚴(yán)重制約了在同一頻段上同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，也是長(zhǎng)久以來(lái)阻礙傳統(tǒng)雙工向帶內(nèi)全雙工發(fā)展的主要原因之一。為實(shí)現(xiàn)IBFD無(wú)線通信，需要研究自干擾消除方法，在IBFD無(wú)線通信電路中增加自干擾消除模塊，逐層消除自干擾信號(hào)使其降低至不影響有用信號(hào)正常解碼的水平。當(dāng)前的自干擾消除方法主要分為被動(dòng)消除(passive suppression)和主動(dòng)消除(active cancellation)[21]，具體消除方法和過(guò)程將在第4節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2　IBFD無(wú)線通信研究現(xiàn)狀

實(shí)際上，無(wú)線全雙工及其干擾抵消關(guān)鍵技術(shù)的概念于20世紀(jì)40年代就已應(yīng)用在雷達(dá)領(lǐng)域。連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)使用兩個(gè)分離天線或單個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，且工作范圍不受限制，成為雷達(dá)領(lǐng)域主流研究對(duì)象。但是，同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)導(dǎo)致的自身發(fā)射機(jī)泄漏問(wèn)題嚴(yán)重干擾了有用信號(hào)的接收，是連續(xù)波雷達(dá)研究過(guò)程中必須解決的技術(shù)難題。文獻(xiàn)[22]將自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)應(yīng)用于短波和超短波通信，解決了同址干擾問(wèn)題，提高了頻譜利用率。該技術(shù)于1993年還獲得了國(guó)防專利。早期消除泄漏干擾的方法主要依賴增加干擾信號(hào)無(wú)線傳播路徑的損耗，2000年之后，關(guān)于連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)泄漏干擾消除的研究更加細(xì)化，出現(xiàn)了自適應(yīng)消除、反射功率補(bǔ)償消除和數(shù)字消除等多種方法[23-24]。

雷達(dá)系統(tǒng)全雙工技術(shù)的使用為IBFD無(wú)線通信奠定了理論基礎(chǔ)，研究人員開(kāi)始考慮將IBFD應(yīng)用于中繼、蜂窩通信和WiFi等無(wú)線通信系統(tǒng)。對(duì)于小型蜂窩通信和WiFi等短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，雖然一些早期研究指出IBFD的應(yīng)用潛力，但當(dāng)時(shí)的自干擾消除技術(shù)不夠成熟，以增加收發(fā)天線間的物理分離的消除為主[25]，實(shí)驗(yàn)效果并不理想，IBFD應(yīng)用于小型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的可行性令人難以信服。2009年，微軟公司實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試結(jié)果證實(shí)了IBFD確實(shí)能夠提高WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提出室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠使用低載波頻率、低發(fā)射功率和單波段全雙工傳輸?shù)乃枷隱8]。2010年，Rice大學(xué)在NSF資助下構(gòu)建了采用Xilinx硬件的WARP(wireless open-Access research platform)平臺(tái)，用于開(kāi)發(fā)IBFD實(shí)用性的無(wú)線通信系統(tǒng)，目前已被全球125個(gè)研究機(jī)構(gòu)和組織使用，WARPv3開(kāi)發(fā)平臺(tái)如圖2所示[26]。Stanford和Aalto等院校也逐漸展開(kāi)相關(guān)研究工作[9-10]，掀起了蜂窩通信和WiFi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中IBFD應(yīng)用研究的熱潮。

圖2 WARPv3開(kāi)發(fā)平臺(tái)

考慮自干擾信號(hào)對(duì)IBFD無(wú)線通信的影響，研究人員首先在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境下，從IBFD硬件電路和傳播模型設(shè)計(jì)開(kāi)始，對(duì)各種自干擾消除電路和技術(shù)開(kāi)展研究。自干擾消除的研究大致分為3個(gè)階段：尋找最適合小型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的自干擾消除方法，其中包括物理隔離、模擬消除和數(shù)字消除等方法的研究[20,27]；研究最小化剩余自干擾信號(hào)量的方法，其中包括各消除方法之間的關(guān)系以及剩余自干擾信號(hào)量對(duì)接收電路各模塊影響的分析[21,28]；研究影響自干擾消除過(guò)程的因素，其中包括相位噪聲和非線性失真等因素的分析[29-30]。

IBFD的實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信領(lǐng)域具有重要意義，為充分發(fā)掘其潛在價(jià)值，除了自干擾消除電路和算法的設(shè)計(jì)之外，IBFD的研究與設(shè)計(jì)還需要充分考慮MAC層及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)層次之間的協(xié)同關(guān)系，以進(jìn)一步提升整體網(wǎng)絡(luò)性能。其中包括無(wú)線資源調(diào)度算法、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議等的設(shè)計(jì)，例如鄰居發(fā)現(xiàn)和交互廣播等[31-33]。在PHY層和MAC層研究基礎(chǔ)上做IBFD無(wú)線通信性能分析和實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，評(píng)估IBFD無(wú)線通信可提供的實(shí)際效益。

然而，即便克服了設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，并不是每種通信節(jié)點(diǎn)都適用IBFD，例如手機(jī)等小型移動(dòng)設(shè)備采用IBFD無(wú)線通信仍然存在問(wèn)題，限制了IBFD的應(yīng)用范圍。但是，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)速度的要求以及全雙工通信技術(shù)的不斷成熟，無(wú)線通信向帶內(nèi)全雙工演進(jìn)是個(gè)必然趨勢(shì)。分布式全雙工和虛擬全雙工的提出表明了半雙工與全雙工綜合使用的可能性[11-12]，為今后無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)添加和替換IBFD節(jié)點(diǎn)提供了基礎(chǔ)性研究。另外，IBFD與認(rèn)知無(wú)線電、5G等其他提高頻譜利用率技術(shù)的結(jié)合也說(shuō)明了IBFD擁有廣闊的應(yīng)用前景[16-17]。

隨著國(guó)內(nèi)外院校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)IBFD無(wú)線通信的不斷深入研究，PHY層自干擾消除方法和MAC層協(xié)議及調(diào)度算法已經(jīng)在仿真實(shí)驗(yàn)和測(cè)試平臺(tái)中得到驗(yàn)證和應(yīng)用。目前國(guó)際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始了IBFD的相關(guān)研究與探索，其中包括Rice大學(xué)[2,12]、Stanford大學(xué)[20,34]、Northwestern大學(xué)[11,35]、Aalto大學(xué)[10,36]、Microsoft公司[31,37]、韓國(guó)信息技術(shù)研究中心-ITRC[38-39]和Xilinx公司等。此外，我國(guó)的多家院校及研究機(jī)構(gòu)如電子科技大學(xué)[40-41]、北京大學(xué)[42-43]、西安電子科技大學(xué)[44-45]、北京科技大學(xué)[46-47]、北京郵電大學(xué)[48-49]、中國(guó)信息通信研究院[50]、中國(guó)移動(dòng)、華為公司等也對(duì)該領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。其中Rice、Stanford、Microsoft、Xilinx和電子科技大學(xué)主要集中于IBFD自干擾信號(hào)消除技術(shù)的研究，Aalto和北京大學(xué)主要涉及IBFD MIMO無(wú)線通信技術(shù)研究，北京科技大學(xué)和北京郵電大學(xué)研究重點(diǎn)為IBFD中繼無(wú)線通信技術(shù)，西安電子科技大學(xué)主要研究IBFD D2D無(wú)線通信技術(shù)。本文選取具有代表性的Rice、Stanford、Aalto和電子科技大學(xué)在IBFD方面的研究成果，對(duì)相關(guān)研究重點(diǎn)、主要研究?jī)?nèi)容及成果、技術(shù)優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。具體技術(shù)及對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)將在第4節(jié)進(jìn)行介紹。

表1 Rice，Stanford，Aalto和電子科技大學(xué)IBFD研究重點(diǎn)及成果對(duì)比

3　IBFD無(wú)線通信模型

3.1IBFD無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)模型

IBFD無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)電路一般包括以下幾個(gè)主要信號(hào)處理模塊：編碼調(diào)制、解調(diào)解碼、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter，DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)、發(fā)送射頻(Txradio)和接收射頻(Rxradio)?；鶐?baseband，BB)信號(hào)通過(guò)Txradio上變頻轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l(radio frequency，RF)信號(hào)。RF信號(hào)通過(guò)Rx radio下變頻轉(zhuǎn)變?yōu)锽B信號(hào)。發(fā)送比特流xi[n]在數(shù)字域進(jìn)行編碼調(diào)制，再經(jīng)過(guò)DAC、上變頻處理后饋入發(fā)射天線Tx。接收天線Rx接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻、ADC和解調(diào)解碼后獲得接收比特流yi[n][21,27,34,36]。接收電路中各類自干擾消除模塊和技術(shù)依次對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，在通信節(jié)點(diǎn)電路模型中的作用位置如圖3所示。

圖3 IBFD通信節(jié)點(diǎn)電路模型

天線消除(antenna cancellation)通過(guò)增加收發(fā)天線間傳輸損耗的方式最大化自干擾信號(hào)在無(wú)線信道中的衰減量，但僅依靠天線消除尚不能完全抑制自干擾信號(hào)，還需要結(jié)合其他消除技術(shù)在接收電路逐層消除。首先在模擬域?qū)F信號(hào)或者BB信號(hào)進(jìn)行消除(analog cancellation，模擬消除)，抵消部分自干擾信號(hào)，然后在數(shù)字域?qū)DC轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字BB信號(hào)再次進(jìn)行消除(digital dancellation，數(shù)字消除)，消除剩余自干擾信號(hào)。

IBFD無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)首先需要有自干擾消除技術(shù)和硬件電路的支持，因此PHY層自干擾消除方法的研究至關(guān)重要。另外，為充分發(fā)掘和利用IBFD特性，研究人員還需對(duì)MAC層及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)層次的協(xié)議和調(diào)度機(jī)制進(jìn)行研究。

3.2IBFD無(wú)線通信模型及性能分析

下面以Stanford和Rice的IBFD研究為例，對(duì)IBFD單節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信電路和信道模型進(jìn)行性能分析，簡(jiǎn)化模型如圖4所示[70]，其中陰影部分為模擬消除電路。在兩類模型中，x為節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，y為自干擾消除后接收信號(hào)，e為發(fā)送電路噪聲，n和q分別為節(jié)點(diǎn)接收電路熱噪聲和量化噪聲，hI為無(wú)線自干擾信道沖激響應(yīng)，hC為發(fā)送端消除電路有線信道沖激響應(yīng)。

圖4 Stanford和Rice大學(xué)IBFD無(wú)線通信模型

由圖4a可知，Stanford模型直接對(duì)發(fā)送電路的RF信號(hào)進(jìn)行處理。在發(fā)送端模擬hI，使hC趨近于hI，發(fā)送信號(hào)有線傳輸?shù)浇邮针娐吠愿蓴_信號(hào)相加，完成抵消過(guò)程。接收電路經(jīng)模擬消除后剩余自干擾信號(hào)量zS為：

式中，hS= hI?hC為模擬hI時(shí)信道估算誤差。假設(shè)模擬消除后與消除前的自干擾信號(hào)功率比為βS，對(duì)于任意hS和hI，可知：

式中，E[·]為期望算子，基于時(shí)間τ積分。由式(2)可知，估算誤差hS越小，βS值越小，理想值為0。因此，Stanford模型的模擬消除量受估算準(zhǔn)確度的影響較大。

Rice模型的消除電路首先對(duì)發(fā)送電路的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。發(fā)送端消除電路與發(fā)送電路硬件配置相同，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)消除電路ADC、上變頻等處理后，有線傳輸?shù)浇邮针娐放c自干擾信號(hào)進(jìn)行抵消，如圖4b所示，其中，k為發(fā)送端消除電路數(shù)字補(bǔ)償，理想情況下?khC= hI。接收電路經(jīng)模擬消除后剩余自干擾信號(hào)量zR為：

式中，hR= hI– khC為信道估算誤差。對(duì)于任意hR和hI，可知模擬消除后與消除前的自干擾信號(hào)功率比為：

由式(5)可知，發(fā)送電路噪聲e越小，βR值越小，理想值為0。因此，Rice模型的模擬消除量受發(fā)送端噪聲的影響較大。

綜合上述分析，由式(1)分析可知，如果估算誤差很小，Stanford模型zS中的發(fā)送電路噪聲e可以同時(shí)去除，在數(shù)字域也更加容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字消除，這是Stanford模型優(yōu)勢(shì)之一。但同時(shí)也存在一個(gè)問(wèn)題，在模擬無(wú)線信道時(shí)，hC中還包括了有用信號(hào)傳輸信道，而目前數(shù)字消除算法尚沒(méi)有指出如何處理有用信號(hào)部分，從而影響Stanford模型數(shù)字消除效果。由式(3)分析可知，即便信道估算誤差很小，也不能去除Rice模型zR中發(fā)送端噪聲e的影響，增加了數(shù)字消除的難度。為了在數(shù)字消除階段有更好的消除效果，Rice模型必須在模擬消除階段把自干擾信號(hào)影響盡可能降低到最小，所以Rice模型主動(dòng)消除過(guò)程主要依靠模擬消除。另外，無(wú)論是Stanford模型還是Rice模型中，相移等不理想因素都會(huì)影響模擬域自干擾消除效果，具體相關(guān)影響因素將在第4.1.3節(jié)進(jìn)行介紹。

4　IBFD無(wú)線通信技術(shù)

當(dāng)前IBFD無(wú)線通信技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在PHY層自干擾消除方法和MAC層及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)層次協(xié)議的研究和性能評(píng)估。

4.1自干擾消除方法

自干擾消除可分為被動(dòng)消除和主動(dòng)消除兩類，被動(dòng)消除以天線消除為主，主動(dòng)消除又可分為模擬消除和數(shù)字消除兩類。被動(dòng)消除通過(guò)增加自干擾信號(hào)在無(wú)線傳播路徑上的損耗達(dá)到消除效果。主動(dòng)消除則在接收電路中利用消除電路和算法等對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行抵消，進(jìn)一步完成自干擾消除工作。

4.1.1天線消除

天線消除技術(shù)通過(guò)合理設(shè)置發(fā)送和接收天線數(shù)量、天線間距、天線方向以及天線位置等參數(shù)，最大化自干擾信號(hào)在無(wú)線傳播路徑上的衰減量[21]。以下針對(duì)不同天線參數(shù)對(duì)天線消除技術(shù)進(jìn)行分析。

1)天線數(shù)量

Stanford大學(xué)針對(duì)天線數(shù)量的影響對(duì)IBFD自干擾消除方法進(jìn)行研究。最初在單節(jié)點(diǎn)使用了3副天線[9]，兩發(fā)送天線到接收天線之間距離設(shè)置半載波波長(zhǎng)差，使接收到的自干擾信號(hào)因π相位差而相互抵消，如圖5a所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此天線消除方法可以抵消20～30 dB的自干擾信號(hào)。文獻(xiàn)[71]提出的天線消除方法也使用了3副天線，對(duì)其中一路接收信號(hào)做π移位處理，達(dá)到抵消目的。

上述天線消除方法不僅需要3副天線，而且需要人工調(diào)諧。文獻(xiàn)[20]對(duì)此做了改進(jìn)，僅使用兩副天線，如圖5b所示。使用Balun轉(zhuǎn)換器為接收電路提供RF參考信號(hào)，且在接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(received signal strength indicator，RSSI)的協(xié)助下完成自調(diào)諧功能。20 cm天線間距、3 dBI全方向天線測(cè)試條件下，可達(dá)到40 dB的自干擾消除量。

文獻(xiàn)[34]結(jié)合隔離電路，僅使用單天線完成IBFD天線消除的方法，如圖5c所示。該方法直接去除了無(wú)線自干擾信號(hào)回路，在發(fā)送電路和接收電路之間添加了一個(gè)帶有三端口環(huán)形器的隔離電路，能夠有效隔離發(fā)送電路RF信號(hào)的饋入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此單天線消除可完成15 dB的自干擾消除量。

2)天線間距、方向和位置優(yōu)化

天線間距、方向和位置對(duì)天線消除效果的影響較為明顯。文獻(xiàn)[2]中分析了發(fā)送天線和接收天線間距和角度對(duì)天線消除量的影響，研究結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)的兩天線間距越大，傳播路徑上衰減越大，可獲得的自干擾消除量也就越大。文獻(xiàn)[51]以配有定向天線的基站和移動(dòng)臺(tái)為研究對(duì)象，在10 m距離、12 dBm發(fā)射功率測(cè)試環(huán)境下，基站收發(fā)天線夾角大于45°時(shí)，自干擾信號(hào)無(wú)線傳播路徑損耗較大。文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[21]中關(guān)于收發(fā)天線位置對(duì)天線消除影響的研究結(jié)果表明，收發(fā)天線分別置于設(shè)備兩側(cè)時(shí)，獲得的自干擾信號(hào)消除量高于其他位置配置情況。文獻(xiàn)[53]對(duì)收發(fā)天線間距、角度和位置進(jìn)行最佳配置，最小化IBFD節(jié)點(diǎn)鄰近天線的影響，實(shí)現(xiàn)了70 dB的自干擾消除量。

圖5 基于天線數(shù)量的天線消除方法

4.1.2 模擬消除和數(shù)字消除

為進(jìn)一步消除自干擾信號(hào)使其降低到不影響有用信號(hào)解碼水平，天線消除之后還需要對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行模擬消除和數(shù)字消除。

1)模擬消除

模擬消除是指接收電路獲得信號(hào)后在模擬域內(nèi)對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行消除的方法。模擬消除可分為直接耦合和間接耦合兩類，圖4所示的兩種IBFD無(wú)線通信模型中，Stanford模型屬于直接耦合方法，Rice模型屬于間接耦合方法。

直接耦合模擬消除方法將發(fā)送電路RF信號(hào)經(jīng)延時(shí)、衰減處理后，通過(guò)有線鏈路傳輸?shù)浇邮针娐罚糜诘窒愿蓴_信號(hào)。典型直接耦合方法如文獻(xiàn)[20]的Balun模擬消除方法，如圖6所示。其采用動(dòng)態(tài)元件QHx220噪聲消除芯片將Balun反轉(zhuǎn)后的RF信號(hào)?xRF分解為同相(gi)和正交(gq)兩個(gè)分向量信號(hào)。結(jié)合RSSI和梯度下降算法對(duì)gi和gq進(jìn)行調(diào)控，模擬自干擾信號(hào)無(wú)線傳播過(guò)程，在接收電路與自干擾信號(hào)相加進(jìn)行抵消。測(cè)試結(jié)果表明，輸入功率為?60 dBm時(shí)，此方法可抵消約30 dB的自干擾信號(hào)量。但是當(dāng)輸入功率大于?40 dBm時(shí)，QHx220會(huì)造成非線性失真，影響模擬消除本身效果的同時(shí)也會(huì)減少數(shù)字自干擾消除量。

圖6 使用QHx220的Balun模擬消除模塊圖

間接耦合模擬消除方法利用一條額外的有線鏈路產(chǎn)生與原始信號(hào)有相同信道衰落的RF信號(hào)，有線傳輸?shù)浇邮针娐泛笈c自干擾信號(hào)進(jìn)行相消。文獻(xiàn)[21]將原始信號(hào)分成兩路傳輸，一路經(jīng)DAC、上變頻等處理之后無(wú)線發(fā)送，另一路負(fù)信號(hào)經(jīng)相同處理后，通過(guò)模擬了無(wú)線傳播路徑的有線信道傳輸至接收電路，使用RF加法器與自干擾信號(hào)進(jìn)行抵消，達(dá)到消除目的。之后Rice大學(xué)對(duì)文獻(xiàn)[21]方法進(jìn)行改進(jìn)，將高階濾波器及單載波消除方法應(yīng)用到模擬消除過(guò)程中[53]，進(jìn)一步增加了模擬消除量。

2)數(shù)字消除

數(shù)字消除是指模擬消除之后在數(shù)字域?qū)κＳ嘧愿蓴_信號(hào)進(jìn)一步消除的方法，可利用數(shù)字算法和數(shù)字濾波器等進(jìn)行信道估算。

典型的應(yīng)用于IBFD數(shù)字消除的算法有自適應(yīng)梯度下降算法[72]、最小二乘參數(shù)估算法[63]、最小均方算法、歸一化均方算法和遞歸最小均方誤差算法[73]等。文獻(xiàn)[72]提出一種基于自適應(yīng)梯度下降的數(shù)字算法，利用MIMO中繼的有用信號(hào)估算自干擾信道，消除IBFD中繼的自干擾信號(hào)。在低信噪比和收斂時(shí)間約束的測(cè)試環(huán)境下，對(duì)此算法靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和平均收斂參數(shù)的影響進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明該數(shù)字消除方法可平均消除28.6 dB的自干擾信號(hào)量。文獻(xiàn)[63]提出基于寬線性最小二乘參數(shù)估算的數(shù)字自干擾消除方法，在適當(dāng)使用天線消除和模擬消除的情況下，該方法的數(shù)字自干擾消除量高達(dá)40～50 dB。文獻(xiàn)[74]在數(shù)字消除算法基礎(chǔ)上，還在電路中添加了最小均方(least mean square，LMS)自適應(yīng)濾波器。將接收電路上ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)分成兩路，一路通過(guò)LMS濾波器進(jìn)行智能延時(shí)處理之后與另一路正常傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行疊加相消，達(dá)到數(shù)字消除目的。

除數(shù)字算法和數(shù)字濾波器的方法之外，部分文獻(xiàn)還介紹了其他IBFD無(wú)線通信數(shù)字消除方法。文獻(xiàn)[9]使用直接序列擴(kuò)頻的自干擾信號(hào)，對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)，得到自干擾信道的延時(shí)和衰減量。文獻(xiàn)[75]對(duì)比分析了基于偽噪聲序列的信道估算以及基于干擾信號(hào)的信道估算的性能，由于偽噪聲序列具有良好的互相關(guān)與自相關(guān)性，前者信道估算結(jié)果和自干擾消除效果都優(yōu)于后者。

3)模擬消除和數(shù)字消除的均衡問(wèn)題

研究發(fā)現(xiàn)，模擬消除和數(shù)字消除之間存在均衡性和相關(guān)性。文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[27]提出，主動(dòng)消除平均量隨著接收的自干擾信號(hào)功率的增加而增加，數(shù)字消除有時(shí)甚至?xí)黾幼愿蓴_信號(hào)量，數(shù)字消除的效果取決于上一階段模擬消除的效果。文獻(xiàn)[28]分析了模擬消除與數(shù)字消除在全雙工MIMO-OFDM收發(fā)器中的作用，公式推導(dǎo)及仿真結(jié)果表明，數(shù)字消除并不總是有益，當(dāng)接收器飽和之后數(shù)字消除將失去作用。

綜合上述分析，自干擾消除的主要分類及相關(guān)研究文獻(xiàn)總結(jié)如圖7所示。

4.1.3影響自干擾消除的因素

IBFD無(wú)線通信自干擾消除過(guò)程會(huì)受發(fā)送和接收電路中電子組件產(chǎn)生的線性/非線性失真、相位噪聲等未知信號(hào)的影響[70]。下面介紹影響自干擾消除的幾個(gè)因素：

圖7 IBFD自干擾消除方法分類

1)本機(jī)振蕩器相位噪聲

IBFD節(jié)點(diǎn)收發(fā)器的本機(jī)振蕩器相位噪聲限制了自干擾主動(dòng)消除量[76]。除了提高振蕩器質(zhì)量，減少混頻器的相位噪聲系數(shù)以及縮短處理延時(shí)時(shí)間等方法也可以進(jìn)一步提高自干擾消除量[29,61]。另外，收發(fā)電路振蕩器配置對(duì)自干擾消除也有影響。文獻(xiàn)[62]比較了在發(fā)送電路和接收電路使用同一振蕩器和獨(dú)立振蕩器兩種配置下相位噪聲的影響，結(jié)果表明前一配置自干擾消除量明顯高于后一配置。

2)非線性失真

對(duì)于非線性IBFD系統(tǒng)，自干擾信號(hào)與有用信號(hào)之間的大功率差還導(dǎo)致了發(fā)送和接收電路非線性失真問(wèn)題[30]?？梢岳脭?shù)字消除方法，減小非線性失真對(duì)自干擾消除的影響。文獻(xiàn)[52]提出一種結(jié)合迭代技術(shù)的數(shù)字消除方法，有效抑制發(fā)送和接收電路的非線性失真的同時(shí)，還使系統(tǒng)性能更加接近線性IBFD系統(tǒng)，易于分析。文獻(xiàn)[36]利用非線性數(shù)字消除算法得出系統(tǒng)非線性部分的推導(dǎo)方式，傳輸信號(hào)及無(wú)線信道不變環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果表明，非線性數(shù)字消除算法在高傳輸功率下可獲得更高的信噪比。

3)動(dòng)態(tài)范圍受限

Aalto大學(xué)在對(duì)全雙工MIMO中繼的研究中提出，接收電路動(dòng)態(tài)范圍有限，影響自干擾信號(hào)消除過(guò)程[77]。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[78]利用帶有動(dòng)態(tài)范圍限制和導(dǎo)頻輔助信道估算性能的顯式高斯模型，根據(jù)IBFD節(jié)點(diǎn)通信總速率計(jì)算出隨導(dǎo)頻數(shù)量增加而變化的動(dòng)態(tài)范圍上下界，提出基于下邊界最大值的傳輸優(yōu)化方法，其數(shù)值優(yōu)化結(jié)果表明IBFD性能明顯優(yōu)于半雙工。

4)I/Q不平衡

IBFD無(wú)線通信的發(fā)送和接收電路中，I/Q不平衡問(wèn)題會(huì)影響自干擾信道模擬的準(zhǔn)確度[63]。針對(duì)I/Q不平衡問(wèn)題，文獻(xiàn)[79]在IBFD節(jié)點(diǎn)接收電路中添加二階迭代回波消除器，并從發(fā)送電路功率放大器輸出端獲取自干擾消除參考信號(hào)，進(jìn)行I/Q誤差估算和補(bǔ)償操作。該方法在有效解決I/Q不平衡問(wèn)題的同時(shí)，還減小了功率放大器非線性對(duì)自干擾消除的影響。

5)ADC器件

文獻(xiàn)[28]提出如果自干擾信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)模擬消除后能夠降低到ADC動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，那么IBFD將更容易進(jìn)行數(shù)字消除。ADC位數(shù)、干信比、量化判決準(zhǔn)則等因素直接影響干擾消除效果和系統(tǒng)誤碼性能，文獻(xiàn)[40]推導(dǎo)了這3個(gè)因素對(duì)誤碼率影響的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，隨著干信比的減小和ADC位數(shù)的增加，誤碼率性能呈宏觀改善趨勢(shì)，且數(shù)字消除效果得到優(yōu)化。

4.2MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制

目前，自干擾消除等物理層通信技術(shù)日漸成熟并建立了一定的發(fā)展體系，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點(diǎn)同時(shí)同頻發(fā)送和接收的功能。然而，若要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)之間IBFD無(wú)線通信，還需要IBFD無(wú)線通信MAC協(xié)議及調(diào)度機(jī)制的支持。IBFD無(wú)線通信同一頻段同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收的特性，允許發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)偵聽(tīng)來(lái)自接收節(jié)點(diǎn)的消息，確定為沖突通知后便立刻停止傳輸；接收節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)現(xiàn)碰撞發(fā)生，能夠第一時(shí)間發(fā)送消息告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)[20]。IBFD無(wú)線通信的MAC層研究將有助于減少隱藏終端所導(dǎo)致的丟包問(wèn)題，緩解網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等問(wèn)題，進(jìn)一步提高IBFD性能。

現(xiàn)有WLAN的802.11協(xié)議CSMA/CA僅有沖突避免而沒(méi)有沖突檢測(cè)功能，發(fā)送節(jié)點(diǎn)只有在完成整個(gè)發(fā)送過(guò)程之后才能根據(jù)所得ACK數(shù)量推斷是否有碰撞發(fā)生并重新發(fā)送出錯(cuò)數(shù)據(jù)包，不能解決網(wǎng)絡(luò)中隱藏終端造成的信道資源浪費(fèi)問(wèn)題。在WLAN中直接使用帶有沖突檢測(cè)的CSMA/CD協(xié)議將面臨的技術(shù)難題主要有：1)無(wú)線發(fā)送節(jié)點(diǎn)不能在同一頻段上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送和沖突偵聽(tīng)；2)發(fā)送節(jié)點(diǎn)周圍的任一信道動(dòng)態(tài)都不能作為接收節(jié)點(diǎn)的沖突指示。因此CSMA/CD協(xié)議不能完全適用于無(wú)線通信系統(tǒng)。

IBFD克服了無(wú)線通信自碰撞的調(diào)度約束，在解決隱藏終端問(wèn)題，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量和公平性等方面具有較大潛力。當(dāng)前關(guān)于IBFD無(wú)線通信MAC層的研究主要有MAC協(xié)議和調(diào)度機(jī)制的研究。

4.2.1MAC協(xié)議

IBFD無(wú)線通信MAC協(xié)議的研究多以標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議為基礎(chǔ)，對(duì)MAC通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、ACK和RTS/CTS等進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)IBFD無(wú)線通信功能。

1)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[20]以CSMA/CA協(xié)議為基礎(chǔ)，在回復(fù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中添加預(yù)定義忙音數(shù)據(jù)段，并結(jié)合IBFD的即時(shí)回復(fù)性能，有效緩解了無(wú)線通信隱藏終端問(wèn)題。文獻(xiàn)[31]提出的MAC協(xié)議ContraFlow也使用了忙音。該文獻(xiàn)就ContraFlow的雙鏈路訪問(wèn)控制和分布式調(diào)度算法中如何避免碰撞、忙音的使用以及第二接收器的選擇等問(wèn)題進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，緩解隱藏終端問(wèn)題的同時(shí)還增加了節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)度和空間復(fù)用的能力。文獻(xiàn)[80]提出一種帶有沖突通知的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(carrier sense multiple access with collision notification，CSMA/CN)技術(shù)，在源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)碼與信頭之間添加一段僅互相通信雙方可知的專屬簽名序列，出現(xiàn)沖突時(shí)目的節(jié)點(diǎn)會(huì)檢測(cè)此簽名序列并將其作為沖突通知立刻反饋給源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)收到通知后中止發(fā)送。

2)ACK和RTS/CTS

文獻(xiàn)[81]提出一種即時(shí)ACK的MAC協(xié)議方案，源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，一旦數(shù)據(jù)包頭部被正確接收，目的節(jié)點(diǎn)便在接收數(shù)據(jù)包的同時(shí)立刻返回ACK消息，錯(cuò)誤接收時(shí)則立刻返回NACK消息并終止接收。該方法還使用即時(shí)NACK處理幀丟失，所以在丟包率較高的情況下，該方法性能衰落也相對(duì)較小。文獻(xiàn)[82]基于IEEE802.11的RTS/CTS協(xié)議，提出適用于IBFD無(wú)線通信的MAC協(xié)議。信道空閑時(shí)，源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS，目的節(jié)點(diǎn)一旦開(kāi)始接收RTS便立刻返回CTS，通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)收到此RTS或CTS信號(hào)后保持沉默。建立連接后，源節(jié)點(diǎn)傳輸期間為目的節(jié)點(diǎn)保留信道，所以目的節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)不需要再次進(jìn)行RTS/CTS信道預(yù)留。文獻(xiàn)[66]基于3次握手機(jī)制提出一種RTS/FCTS(full-duplex CTS)訪問(wèn)機(jī)制，同時(shí)支持IBFD無(wú)線通信雙向鏈路和單向鏈路傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)有效解決了隱藏終端問(wèn)題。

3)通信過(guò)程

文獻(xiàn)[83]提出分布式訪問(wèn)全雙工MAC協(xié)議，針對(duì)IBFD通信特點(diǎn)對(duì)路徑建立和數(shù)據(jù)傳輸通信過(guò)程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，并建立有限狀態(tài)離散時(shí)間馬爾科夫模型對(duì)協(xié)議過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和驗(yàn)證。文獻(xiàn)[84]認(rèn)為IBFD具有沖突檢測(cè)和沖突干擾等潛在性機(jī)制，并基于這些機(jī)制提出應(yīng)用于全雙工正交頻分多址無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議(fullduplex CSMA with collision detection，F(xiàn)D-CSMA/ CD)，描述了子信道隨機(jī)訪問(wèn)時(shí)正常成功傳輸、沖突檢測(cè)和沖突干擾等通信協(xié)議過(guò)程。

對(duì)于集中式、分布式和多跳IBFD無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的HD無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，已有的HD MAC協(xié)議不能完全適用于IFBD無(wú)線環(huán)境。主要存在的問(wèn)題有：

1)當(dāng)集中式網(wǎng)絡(luò)AP節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)client終端進(jìn)行IBFD無(wú)線傳輸時(shí)，若這兩個(gè)client終端彼此為暴露終端，則存在節(jié)點(diǎn)間干擾問(wèn)題，下行鏈路接收器將不能正確接收有用信號(hào)。而已有的HD MAC協(xié)議不能幫助解決節(jié)點(diǎn)間干擾等問(wèn)題，限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提升。因此需要研究集中式IBFD無(wú)線網(wǎng)路的MAC協(xié)議。文獻(xiàn)[55]提出了一種應(yīng)用于集中式IBFD無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的PoCMAC協(xié)議，其在控制幀中添加信干燥比信息，幫助通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率控制，在抑制節(jié)點(diǎn)間干擾的同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2)傳統(tǒng)HD MAC協(xié)議無(wú)法幫助網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)識(shí)別通信節(jié)點(diǎn)的傳輸模式(HD傳輸或IBFD傳輸)。文獻(xiàn)[85]對(duì)分布式IBFD無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模式進(jìn)行了分類，分別為HD模式、同步IBFD模式、基于目的節(jié)點(diǎn)的IBFD異步模式和基于源節(jié)點(diǎn)的IBFD異步模式，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行IBFD MAC協(xié)議設(shè)計(jì)。

3)將標(biāo)準(zhǔn)RTS/CTS應(yīng)用于多跳IBFD無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，需要使用多次信道接入完成鏈路建立，增加了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。文獻(xiàn)[83]在其設(shè)計(jì)的DFD-MAC協(xié)議的控制幀中添加通信節(jié)點(diǎn)上一跳及下一跳節(jié)點(diǎn)的MAC地址，在接入下一跳節(jié)點(diǎn)的同時(shí)回復(fù)上一跳節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求。該方法可通過(guò)一次信道接入完成多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路連接。

為突出IBFD MAC協(xié)議優(yōu)越性，結(jié)合上述分析，對(duì)多篇文獻(xiàn)進(jìn)行歸類對(duì)比，如表2所示。

表2 IBFD無(wú)線通信MAC協(xié)議對(duì)比分析

(續(xù)表)

圖8 IBFD與半雙工無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比分析

在IBFD MAC協(xié)議支持下，IBFD無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量與半雙工無(wú)線通信相比最大可高出一倍。本文對(duì)文獻(xiàn)[63]的FD-CDMA/CD、文獻(xiàn)[66]的RTS/FCTS和HD的RTS/CTS 3種協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響進(jìn)行對(duì)比分析，建立Markov模型，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目與吞吐量以及節(jié)點(diǎn)傳輸概率與吞吐量的關(guān)系進(jìn)行仿真，如圖8所示。由圖8可明顯看出，F(xiàn)D-CDMA/CD協(xié)議的IBFD網(wǎng)絡(luò)吞吐量幾乎是使用RTS/CTS協(xié)議的HD網(wǎng)絡(luò)吞吐量的二倍，使用RTS/FCTS協(xié)議的IBFD網(wǎng)絡(luò)吞吐量亦高出約86%。

4.2.2MAC層調(diào)度機(jī)制

部分文獻(xiàn)對(duì)IBFD無(wú)線通信的MAC層調(diào)度機(jī)制進(jìn)行了整體規(guī)劃。文獻(xiàn)[19]提出，為最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量，IBFD無(wú)線通信的MAC層必須允許所有節(jié)點(diǎn)能夠訪問(wèn)介質(zhì)，且IBFD節(jié)點(diǎn)需要同鄰居節(jié)點(diǎn)之間共享隊(duì)列信息，并以此思想提出了IBFD無(wú)線通信MAC層的3個(gè)調(diào)度機(jī)制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：1)共享隨機(jī)退避：正在通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)允許其他節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)媒體介質(zhì)，若沒(méi)有節(jié)點(diǎn)能夠成功獲取介質(zhì)，則這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)IBFD無(wú)線通信；2)頭部偵聽(tīng)：即使網(wǎng)絡(luò)分配向量 (network allocation vector，NAV)為0，節(jié)點(diǎn)也能夠?qū)λ姓趥鬏數(shù)臄?shù)據(jù)包頭部進(jìn)行解碼，進(jìn)而估算本地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并適時(shí)開(kāi)啟IBFD無(wú)線通信模式；3)虛擬競(jìng)爭(zhēng)：AP查看緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)包，統(tǒng)籌決定優(yōu)先發(fā)送的數(shù)據(jù)包次序，并尋找更多使用IBFD無(wú)線通信的機(jī)會(huì)。測(cè)試結(jié)果表明，文獻(xiàn)[19]提出的MAC層調(diào)度機(jī)制可為IBFD無(wú)線通信帶來(lái)高出半雙工70%的吞吐量增益。之后基于文獻(xiàn)[19]，文獻(xiàn)[89]添加了第四個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即：4)RTS/CTS交換：在RTS/CTS幀中添加能夠被網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)識(shí)別的IBFD傳輸模式標(biāo)識(shí)，使用媒體接入建立IBFD無(wú)線通信鏈路并告知鄰居節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)。

文獻(xiàn)[6]充分利用RTS和CTS，在標(biāo)準(zhǔn)802.11 DCF協(xié)議基礎(chǔ)上添加了IBFD無(wú)線通信功能，設(shè)計(jì)了IBFD節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換的調(diào)度機(jī)制，并對(duì)IBFD數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)和傳輸方式、ACK管理機(jī)制和串音節(jié)點(diǎn)行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)，如表3所示。OPNET仿真結(jié)果表明，文獻(xiàn)[6]的IBFD無(wú)線通信MAC協(xié)議使得IBFD多節(jié)點(diǎn)單AP網(wǎng)絡(luò)同基于DCF協(xié)議的傳統(tǒng)半雙工網(wǎng)絡(luò)相比，吞吐量提高了近一倍。

表3 IBFD無(wú)線通信MAC層調(diào)度機(jī)制[6]與802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

4.3其他相關(guān)研究

IBFD無(wú)線通信允許在一定范圍內(nèi)更多的數(shù)據(jù)并行傳輸，在提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面具有很大潛力。可以靈活地組建一個(gè)部分甚至所有節(jié)點(diǎn)支持IBFD的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，由此對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由結(jié)構(gòu)等提出新的挑戰(zhàn)。

目前，IBFD無(wú)線通信關(guān)于網(wǎng)絡(luò)高層的研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少。以網(wǎng)絡(luò)層研究為例，IBFD無(wú)線通信的路由算法無(wú)需避免交叉路由，從而縮短了路由數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度并減小全局干擾。文獻(xiàn)[90-91]提出IBFD無(wú)線通信中使用路由算法處理雙向數(shù)據(jù)流，并充分利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，也能夠進(jìn)一步提高吞吐量。文獻(xiàn)[92]為其提出的D-FDW網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種按需繞行路由協(xié)議，減少通信數(shù)據(jù)流中交叉點(diǎn)的數(shù)量，消除了隱藏終端的影響，使多跳網(wǎng)絡(luò)端到端吞吐量提高了86.4%。

5　IBFD無(wú)線通信研究應(yīng)用

目前，IBFD無(wú)線通信在國(guó)際上已成為研究熱點(diǎn)。隨著PHY層自干擾消除技術(shù)和MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制的研究逐漸深入，IBFD在無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。IBFD與半雙工、MIMO技術(shù)的結(jié)合，以及其在5G、認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(cognitive radio networks，CRN)中的應(yīng)用也是今后的研究重點(diǎn)。

1)IBFD與半雙工技術(shù)

目前且在今后的幾年，主導(dǎo)無(wú)線通信仍是半雙工技術(shù)，研究人員需要考慮全雙工與半雙工的兼容與結(jié)合問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]提出的虛擬全雙工允許節(jié)點(diǎn)在物理層同時(shí)進(jìn)行半雙工和全雙工無(wú)線通信，并顯著簡(jiǎn)化高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率。文獻(xiàn)[12]提出的分布式全雙工在一個(gè)全雙工設(shè)備節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)半雙工移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信模型中，允許同一頻段上行鏈路和下行鏈路的同時(shí)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。文獻(xiàn)[59]提出一種在IBFD和半雙工中繼模式間適時(shí)切換的混合技術(shù)，通過(guò)適時(shí)切換選擇與傳輸功率自適應(yīng)相結(jié)合的方式最大化瞬時(shí)平均頻譜效率，顯著提高了系統(tǒng)的性能增益。

2)IBFD與MIMO技術(shù)

文獻(xiàn)[93]將MIMO和全雙工結(jié)合，提出MIDU(MIMO full DUplex)的概念，使用了發(fā)送天線和接收天線位置對(duì)稱的天線消除技術(shù)和射頻消除技術(shù)。WARP平臺(tái)驗(yàn)證結(jié)果顯示，MIDU能夠做到兩階消除且自干擾消除量可達(dá)到45 dB，提供至少20%的平均速率增益。文獻(xiàn)[94]提出收發(fā)節(jié)點(diǎn)端口設(shè)置多天線時(shí)能夠在增加半雙工MIMO鏈路容量的同時(shí)為系統(tǒng)帶來(lái)全雙工的容量。分別模擬了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的IBFD MIMO無(wú)線通信過(guò)程，測(cè)試結(jié)果表明，IBFD節(jié)點(diǎn)RF鏈路數(shù)量一定時(shí)，在收發(fā)節(jié)點(diǎn)處放置額外的天線可以獲得更高容量增益，但此方法會(huì)使系統(tǒng)吞吐量有所下降。

3)IBFD在5G中的應(yīng)用

5G的研究工作已經(jīng)展開(kāi)，其中一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)是峰值傳輸速率增長(zhǎng)至4G的100倍[95]，考慮到IBFD無(wú)線通信頻譜利用率高的特點(diǎn)，IBFD技術(shù)已成為5G技術(shù)的重要候選方案。Stanford大學(xué)Sachin教授認(rèn)為IBFD自干擾消除技術(shù)的研究成果能夠有效應(yīng)用于5G研究中，指出目前瑣碎分散的頻譜資源對(duì)未來(lái)5G的發(fā)展非常不利，IBFD自干擾消除技術(shù)具有增加鏈路容量和虛擬化光譜等功能，支持多種雙工通信，在實(shí)現(xiàn)和支撐5G技術(shù)向密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向存在可能性[17]。

4)IBFD在CRN中的應(yīng)用

CRN可有效解決固定頻譜分配帶來(lái)的頻譜利用率低問(wèn)題，但次用戶何時(shí)可以使用頻譜引發(fā)的動(dòng)態(tài)頻譜訪問(wèn)問(wèn)題成為其發(fā)展的主要阻礙之一[96]。文獻(xiàn)[16]將IBFD同CRN結(jié)合，使次用戶在傳輸?shù)耐瑫r(shí)還能夠檢測(cè)主用戶的動(dòng)態(tài)，一旦檢測(cè)到主用戶的存在，次用戶會(huì)立刻釋放頻譜以避免同主用戶之間產(chǎn)生干擾。非理想IBFD CRN仿真結(jié)果表明，高信噪比時(shí)盡管很多因素會(huì)破壞IBFD的理想狀態(tài)，但主用戶丟包率仍然比半雙工CRN低得多。

6　結(jié) 束 語(yǔ)

IBFD無(wú)線通信同一頻段同時(shí)發(fā)送和接收的優(yōu)勢(shì)突破了傳統(tǒng)雙工無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的束縛，理論上最大可成倍提高頻譜利用率，為頻譜資源的有效利用提供了新的思路和方法，同時(shí)也對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和管理提出了挑戰(zhàn)。本文針對(duì)IBFD無(wú)線通信，從主要技術(shù)難題、研究現(xiàn)狀、通信模型和研究技術(shù)等方面做了詳細(xì)歸納和描述，并著重分析了自干擾消除方法、MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制等研究?jī)?nèi)容。綜合IBFD無(wú)線通信研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，對(duì)今后IBFD無(wú)線通信的研究與發(fā)展趨勢(shì)展望如下：

1)優(yōu)化IBFD無(wú)線通信的自干擾消除方法。構(gòu)建無(wú)線自干擾傳播信道模型，研究與自干擾消除相關(guān)的信道估算方法和信號(hào)處理技術(shù)；研究高效協(xié)同天線消除、模擬消除和數(shù)字消除三者的方法，改善影響自干擾消除的元器件，提高自干擾消除性能，進(jìn)而優(yōu)化IBFD整體硬件電路。

2)研究適合IBFD無(wú)線通信的信號(hào)處理和通信調(diào)度機(jī)制。傳統(tǒng)的無(wú)線通信機(jī)制已經(jīng)不再完全適合IBFD，以硬件電路實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，可以針對(duì)IBFD同一頻段同時(shí)收發(fā)特性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制的設(shè)計(jì)。在發(fā)送和接收信號(hào)處理等方面可以考慮調(diào)制解調(diào)方式、信道代碼、信號(hào)處理方式的設(shè)計(jì)；在無(wú)線通信調(diào)度等方面可以考慮資源管理、MAC層及高層協(xié)議、調(diào)度機(jī)制和跨層優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

3)分析IBFD無(wú)線通信系統(tǒng)容量和性能。目前IBFD研究主要集中于技術(shù)實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)，關(guān)于系統(tǒng)可獲得的容量和性能增益的研究尚屬空白。IBFD無(wú)線通信的深入研究還需要對(duì)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際IBFD系統(tǒng)的信道容量、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能參數(shù)也需要做進(jìn)一步分析。

4)研究IBFD無(wú)線通信系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。可以考慮將IBFD設(shè)備應(yīng)于CRN、D2D(device-to-device)、M2M (machine-to-machine)和 HetNet(heterogeneous networks)等網(wǎng)路的構(gòu)建，例如虛擬全雙工和分布式全雙工等IBFD與半雙工結(jié)合的無(wú)線通信系統(tǒng)，對(duì)未來(lái)實(shí)際系統(tǒng)中IBFD節(jié)點(diǎn)的增加和替換提供有效的研究思路。

5)解決IBFD無(wú)線通信工程性問(wèn)題。當(dāng)前用于IBFD研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有Rice大學(xué)的WARP平臺(tái)和Ettus Research公司的USRP(universal software radio peripheral)平臺(tái)，系統(tǒng)較為復(fù)雜且體積較大。隨著IBFD無(wú)線通信技術(shù)研究的日益深入，將其實(shí)際應(yīng)用于手機(jī)等小型移動(dòng)通信設(shè)備，還需要解決硬件電路復(fù)雜度和尺寸等工程性問(wèn)題。

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編輯稅紅

Survey of Self-Interference Cancellation and MAC Scheduling for In-Band Full-Duplex Wireless Communication

SUN Yan-jing,ZUO Hai-wei,and LI Song
(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and TechnologyXuzhou Jiangsu221116; Coal Mine Electrical Engineering and Automation Laboratory in JiangSu ProvinceXuzhou Jiangsu221008)

In-band full-duplex (IBFD)wireless communication,which allows nodes to transmit and receive simultaneously in the same frequency band,can double spectral efficiency theoretically compared with conventional duplex. The survey presents an analysis of the main technical problems of IBFD wireless full duplex communication to be solved,and summarizes the research progress systematically. The system models and key technologies of IBFD wireless communication are introduced,especially emphasizing the research of self-interference cancellation methods,MAC (Medium Access Control)protocols and scheduling mechanisms. Finally,combined with current research and application focuses,the future trends and main research directions of IBFD wireless communication are discussed.

in-band full duplex;MAC protocols;self-interference cancellation;spectral efficiency; wireless communication

TN92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.06.001

2015 ? 06 ? 02；

2016 ? 06 ? 24

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51274202)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2013RC11)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(子課)(BA2012068)；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(BK20130199,BK20131124)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2014028-01)

孫彥景(1977 ? )，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事無(wú)線通信、協(xié)作通信、礦井通信與監(jiān)控、礦山物聯(lián)網(wǎng)等方面研究.