付亞飛，周 榮

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

全雙工系統(tǒng)的全數(shù)字自干擾消除

付亞飛，周 榮

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線頻譜資源日益短缺，提高無(wú)線頻譜利用率已經(jīng)成為目前無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。全雙工中繼系統(tǒng)因其具有更廣的覆蓋范圍、更大的系統(tǒng)吞吐量以及更有效的頻譜效率而受到廣泛關(guān)注。但在全雙工中繼技術(shù)應(yīng)用中，通信的同時(shí)與同頻特性使得中繼站出現(xiàn)信號(hào)泄露，從而導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)路自干擾問(wèn)題，嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)性能的發(fā)揮?；诂F(xiàn)有全雙工系統(tǒng)自干擾消除方案，在分析發(fā)射機(jī)與接收機(jī)電路相位噪聲、非線性失真和量化噪聲的基礎(chǔ)上，采用輔助接收機(jī)電路重構(gòu)射頻(Radio Frequency，RF)自干擾信號(hào)的副本，在數(shù)字域中抵消自干擾信號(hào)和發(fā)射機(jī)的損傷。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的全數(shù)字消除方法能夠有效消除FD系統(tǒng)的自干擾，顯著提升系統(tǒng)效能。

全雙工；自干擾消除；數(shù)字消除；殘留自干擾

0 引 言

目前常見(jiàn)的全雙工通信系統(tǒng)有時(shí)分雙工(Time Division Duplex,TDD)和頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)。由二者的工作原理可知，時(shí)分雙工雖然同頻但卻不同時(shí)，頻分雙工雖然同時(shí)卻不同頻，它們都沒(méi)有真正的實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻，從而極大地浪費(fèi)了資源。近年來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)始研究一種全新的通信系統(tǒng)——同時(shí)同頻的全雙工通信系統(tǒng)，即在同一頻率下(上、下行鏈路的帶寬相同)[1]，同時(shí)接收信號(hào)并發(fā)送信號(hào)。

該技術(shù)既可以解決時(shí)分雙工信道不一致的問(wèn)題，又可以緩解頻分雙工系統(tǒng)帶寬資源浪費(fèi)的問(wèn)題，從而得以節(jié)省時(shí)間和頻譜資源，提高系統(tǒng)性能。相對(duì)于FDMA系統(tǒng)而言，同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)的帶寬是其一半，而信道容量卻比TDMA增加了一倍[2]。在全雙工系統(tǒng)中，信號(hào)收發(fā)器的發(fā)射天線和接收天線間隔距離不大，使得接收到的自干擾信號(hào)的功率有可能是有用信號(hào)功率的幾倍[3]，對(duì)于一個(gè)同時(shí)同頻的全雙工系統(tǒng)而言，要想實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正常接收，必須有效抑制自干擾信號(hào)。

最近的國(guó)內(nèi)外研究表明，可以通過(guò)研究不同的系統(tǒng)架構(gòu)和自干擾消除技術(shù)來(lái)消除自干擾信號(hào)。使用數(shù)字域減值抑制技術(shù)，即減輕收發(fā)機(jī)的相位噪聲和非線性效應(yīng)對(duì)自干擾消除性能的影響。利用獨(dú)立的振蕩器和接收路徑對(duì)全雙工系統(tǒng)中的相位噪聲進(jìn)行估計(jì)和抑制[4]。改進(jìn)的數(shù)字消除技術(shù)與非線性抑制算法提出通過(guò)抑制收發(fā)機(jī)的非線性來(lái)抑制自干擾信號(hào)[5]。研究表明，即使是使用非常復(fù)雜的技術(shù)，也只能相應(yīng)地抑制大約2 dB的相位噪聲，因此全雙工系統(tǒng)的相位噪聲抑制仍然是一個(gè)相當(dāng)大的問(wèn)題。

在廣泛研究全數(shù)字化自干擾消除技術(shù)的基礎(chǔ)上，將SISO(Single-In-Single-Out)-FD數(shù)字自干擾消除進(jìn)化擴(kuò)展至MIMO(Multiple-In-Multiple-Out)-FD數(shù)字自干擾消除，與射頻和模擬消除技術(shù)[6]相比，有效抑制了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的自干擾。在系統(tǒng)架構(gòu)中加入了輔助接收機(jī)鏈路，可重建包括所有發(fā)射機(jī)損傷的數(shù)字域的發(fā)射射頻自干擾信號(hào)副本，可作用于輔助和普通接收機(jī)鏈之間共享的振蕩器以減輕接收機(jī)的相位噪聲，以抵消數(shù)字域中自干擾信號(hào)和發(fā)射機(jī)損傷。此外，采用輔助接收機(jī)鏈和普通接收機(jī)鏈共享一個(gè)共同振蕩器的方法,可緩解接收機(jī)的相位噪聲，有效減輕收發(fā)機(jī)的損傷[7]，降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

1 系統(tǒng)模型

給出的系統(tǒng)模型詳細(xì)說(shuō)明了全雙工收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖1為基于全雙工收發(fā)機(jī)的全數(shù)字自干擾消除技術(shù)的框圖。

圖1 全數(shù)字自干擾消除的框圖

如圖1所示，該收發(fā)機(jī)由普通的收發(fā)鏈路和消除自干擾的輔助接收機(jī)鏈路構(gòu)成。在發(fā)射機(jī)一側(cè)，輸入信號(hào)經(jīng)QAM(正交幅度調(diào)制)后上變頻到射頻頻率。隨后將上變頻信號(hào)過(guò)濾、放大，通過(guò)發(fā)送天線發(fā)送。一部分放大信號(hào)反饋到輔助接收機(jī)鏈。在輔助接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率是由功率分配器控制的，因此，輔助接收機(jī)鏈路上的低噪聲放大器(LNA)可忽略。反饋信號(hào)和普通接收機(jī)接收的信號(hào)下變頻到基帶后通過(guò)輔助接收機(jī)和普通接收機(jī)進(jìn)行區(qū)分。輔助接收機(jī)鏈路和普通接收機(jī)鏈路是相同的，并共享相同的鎖相環(huán)(PLL)。功率放大器(功放)到輔助接收機(jī)的無(wú)線信道的傳遞函數(shù)表示為Haux，無(wú)線自干擾信道傳遞函數(shù)的頻域表示為Hord。

輸出信號(hào)反饋到信道估計(jì)模塊，以獲得普通信道和輔助信道的估計(jì)比值(Hord/Haux)。信道估計(jì)所使用的傳輸時(shí)域正交訓(xùn)練序列位于每個(gè)數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。該數(shù)字干擾消除的過(guò)程是：估計(jì)信道的輸出信號(hào)與輔助接收機(jī)的輸出信號(hào)相乘，并從接收到的信號(hào)中減去這個(gè)相乘的結(jié)果，得到無(wú)干擾信號(hào)。

文中考慮了主要的發(fā)射機(jī)損傷和接收機(jī)損傷，即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相位噪聲、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的非線性模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量化噪聲以及接收機(jī)的高斯噪聲。因?yàn)閺墓Ψ?PA)處獲得的反饋信號(hào)中包含了發(fā)射機(jī)的減損副本，所以該架構(gòu)可以有效減輕發(fā)射機(jī)的所有損傷。此外，通過(guò)共享輔助接收機(jī)鏈路和普通接收機(jī)鏈路之間的鎖相環(huán)可以緩解接收機(jī)的相位噪聲。

考慮發(fā)射機(jī)的相位噪聲φtx和功放的非線性失真信號(hào)dtx，則發(fā)射信號(hào)在功放處的輸出信號(hào)可以表示為：

ytx(t)=x(t)ej(2πfct+φtx(t))+dtx(t)

(1)

其中，x為發(fā)射的基帶信號(hào)；dtx為由功放導(dǎo)致的發(fā)射機(jī)的非線性失真信號(hào)；fc為載頻。

輔助接收機(jī)輸出的數(shù)字基帶信號(hào)yaux可表示為：

(2)

類(lèi)似地，數(shù)字基帶信號(hào)yord在普通接收機(jī)處的輸出信號(hào)可以表示為：

(3)

其中，上標(biāo)ord表示普通接收機(jī)的鏈路信號(hào)；drx表示由低噪聲放大器導(dǎo)致的接收機(jī)的非線性失真信號(hào)；ssoi表示接收到的有用信號(hào)。

經(jīng)過(guò)數(shù)字自干擾消除后的信號(hào)YDC可以表示為：

(4)

(5)

2 全數(shù)字自干擾消除方案

文中研究的數(shù)字自干擾消除技術(shù)的主要思想是：獲得所傳送的包括所有發(fā)射機(jī)損耗的自干擾信號(hào)的副本，并在接收機(jī)的數(shù)字域自干擾消除模塊中使用此副本信號(hào)。假設(shè)輔助接收機(jī)鏈和普通接收機(jī)鏈?zhǔn)菦](méi)有損耗的，那么該技術(shù)架構(gòu)能夠完全消除自干擾信號(hào)和發(fā)射機(jī)損傷。但是由于接收機(jī)損傷和信道估計(jì)誤差的存在，不可能完全消除自干擾。實(shí)際上，接收機(jī)損傷和信道估計(jì)誤差還會(huì)引入某些限制自干擾消除效果的因素。

為了更加清楚地了解各種損傷的影響和所涉及的權(quán)衡，對(duì)損傷因素進(jìn)行了整體性的研究分析。在分析中，所有發(fā)射機(jī)損傷都是整體分析的，只有接收機(jī)的損傷是單獨(dú)分析的。在分析過(guò)程中，個(gè)體損傷、輔助信道傳遞函數(shù)和普通信道傳遞函數(shù)假設(shè)都是已知的，并單獨(dú)研究了信道估計(jì)誤差的影響。研究分析是基于具有64路子載波(頻率20MHz)的OFDM系統(tǒng)，載波頻率設(shè)定為2.4GHz。

本節(jié)將研究數(shù)字消除技術(shù)對(duì)自干擾消除的總的性能效果，包括接收機(jī)和收發(fā)機(jī)的所有損傷，系統(tǒng)中影響殘留自干擾功率的所有設(shè)計(jì)權(quán)衡和因數(shù)都會(huì)加以討論。影響殘留自干擾功率的因素包括：每一個(gè)接收機(jī)的損傷功率、接收到的自干擾功率、決定非視線傳輸功率大小的萊斯因子、自干擾信道的特性(比如：相干帶寬、多普勒頻率等)。在實(shí)際的全雙工系統(tǒng)中，上述四個(gè)參數(shù)并不是相互獨(dú)立的。自干擾信道的萊斯因子與所消除的自干擾信號(hào)功率成反比[8]。因此，為了得到更加可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在整體的研究中，不能忽略4個(gè)參數(shù)間的相關(guān)性。

文中給出的所有系統(tǒng)參數(shù)是基于實(shí)際的收發(fā)機(jī)及實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的損傷數(shù)據(jù)[9]如下：

(1)假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相位噪聲的總功率為-40dBm；

(2)假設(shè)ADC的量化位數(shù)為14位；

(3)接收機(jī)輸入功率電平范圍為-25～-5dBm，高斯噪聲功率為-90～-72dBm；

(4)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)三階失真功率電平是-45dB線性功率電平的分量。

該系統(tǒng)進(jìn)行仿真的信道模型是5Hz的多普勒頻率信道，訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)假設(shè)為4%。

根據(jù)系統(tǒng)模型，提出三種實(shí)際情況下的被動(dòng)抑制技術(shù)：

(1)使用天線間隔為35cm的全向天線和20dB的自干擾信道萊斯因子，可以被動(dòng)抑制25dB的自干擾[10]；

(2)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線使用吸收材質(zhì)的定向電線[9]，且自干擾信道萊斯因子為0dB時(shí)，可以被動(dòng)抑制25dB的自干擾；

(3)使用可重構(gòu)定向天線[11]，且自干擾信道的萊斯因子為0dB時(shí)，最高可以被動(dòng)抑制25dB的自干擾。

三種方案提出的自干擾消除技術(shù)都能抑制相位噪聲和非線性效應(yīng)，使得殘留自干擾功率低于接收機(jī)的噪底。因此，和以往的數(shù)字消除技術(shù)相比，文中所研究的數(shù)字消除技術(shù)不再受相位噪聲和非線性效應(yīng)的限制。在第一種方案中，由于接收的自干擾功率相對(duì)較高，比起其他噪聲，接收機(jī)的高斯噪聲是主要的性能限制因素。然而，高斯噪聲隨著發(fā)射功率的減小而減小，從而降低了殘留自干擾功率。因此，這種方案中消除的被動(dòng)抑制量相對(duì)較低，所以該方案更適合應(yīng)用在發(fā)射功率較低的系統(tǒng)中。此外，簡(jiǎn)單的模擬消除技術(shù)(例如Balun技術(shù)[12])可用于緩解該情況下的高斯噪聲的影響。在第二和第三種方案中，高斯噪聲也不再是主要的限制因素。消除了接收機(jī)的高斯噪聲，衰落效應(yīng)導(dǎo)致的信道誤差將會(huì)是下一個(gè)自干擾消除技術(shù)中的瓶頸。然而比起接收機(jī)的其他損傷，有很多消除衰落效應(yīng)的方法。例如，在不同的數(shù)據(jù)幀之間內(nèi)插信道；在OFDM碼元內(nèi)插入追蹤信道變化的導(dǎo)頻信號(hào)；使用短幀；用插入導(dǎo)頻信號(hào)的幀代替插入循環(huán)前綴的幀。在基于導(dǎo)頻的幀結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)頻子載波插入到OFDM碼元內(nèi)，以便在接收端進(jìn)行信道估計(jì)。這樣的導(dǎo)頻子載波能夠快速追蹤到信道的變化。

3 仿真分析

基于上述三種方案情形，分析了全數(shù)字消除技術(shù)下的系統(tǒng)可達(dá)速率，并與傳統(tǒng)的半雙工系統(tǒng)的速率進(jìn)行了比較。假設(shè)全雙工和半雙工系統(tǒng)中收發(fā)機(jī)的所有損傷都是存在的，信號(hào)的發(fā)射功率分別為20dBm和5dBm。則獲得的全雙工和半雙工速率表達(dá)式為：

RFD=E[log2(1+SINRFD)]

(6)

(7)

其中，E[]為期望；RFD、RHD分別為全雙工系統(tǒng)與半雙工系統(tǒng)的可達(dá)速率；SINRFD為全雙工系統(tǒng)中的信干噪比(有用信號(hào)與干擾信號(hào)加噪聲的比值)；SNRHD為半雙工系統(tǒng)中的信噪比；1/2為半雙工系統(tǒng)中的速率系數(shù)。

圖2反映了三種不同的被動(dòng)自干擾抑制方案下系統(tǒng)的可達(dá)速率與信噪比之間的變化關(guān)系圖。

(a)第一種方案下信道可達(dá)速率隨信噪比變化的仿真圖

(b)第二種方案下信道可達(dá)速率隨信噪比變化的仿真圖

(c)第三種方案下信道可達(dá)速率隨信噪比變化的仿真圖圖2 系統(tǒng)的可達(dá)速率與信噪比變化仿真圖

從這些仿真結(jié)果中可以得出以下結(jié)論：

(1)三種方案對(duì)自干擾消除的效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字消除技術(shù)，除了第三種方案中發(fā)射功率為5dBm時(shí)與傳統(tǒng)的數(shù)字消技術(shù)效果相同。第三種方案中，發(fā)射功率為5dBm且被動(dòng)抑制量為60dB時(shí)，只需要消除35dB的自干擾信號(hào)就能達(dá)到接收機(jī)的自干擾噪底。消除35dB的自干擾對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)字消除技術(shù)來(lái)說(shuō)是很容易實(shí)現(xiàn)的。但是隨著發(fā)射功率的增加，文中所研究的數(shù)字消除技術(shù)將能夠更好地抑制自干擾，而傳統(tǒng)的數(shù)字消除技術(shù)將無(wú)法抑制更多的自干擾。

(2)圖2(a)表示被動(dòng)抑制量較低的第一種方案，文中的全數(shù)字自干擾消除技術(shù)只能在低發(fā)射功率的應(yīng)用中使用。

(3)在第二種和第三種方案中，相比于傳統(tǒng)的半雙工系統(tǒng)，全數(shù)字自干擾消除技術(shù)明顯提高了信號(hào)的傳輸速率，尤其在信噪比值較高的情況下，效果更加顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)全雙工技術(shù)發(fā)展中遇到的技術(shù)瓶頸，得出收發(fā)天線間存在的自干擾是全雙工通信系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。通過(guò)不斷改進(jìn)全雙工消除技術(shù)，有效抑制了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的自干擾。在系統(tǒng)架構(gòu)中加入了輔助接收機(jī)鏈路，可重建包括所有發(fā)射機(jī)損傷的數(shù)字域的發(fā)射射頻自干擾信號(hào)副本，可作用于輔助和普通接收機(jī)鏈之間共享的振蕩器以減輕接收機(jī)的相位噪聲，以抵消數(shù)字域中自干擾信號(hào)和發(fā)射機(jī)損傷。此外，給出了非線性估計(jì)和抑制技術(shù)用于減輕接收機(jī)的非線性效應(yīng)，并詳細(xì)分析和研究了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的損傷對(duì)自干擾消除性能的影響。仿真結(jié)果表明，全數(shù)字自干擾消除技術(shù)能夠有效改善全雙工系統(tǒng)的殘余自干擾和信道速率。目前僅研究了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的自干擾消除的情況，并沒(méi)有研究中繼節(jié)點(diǎn)的自干擾消除，后續(xù)工作可推廣至研究全雙工中繼系統(tǒng)數(shù)字自干擾消除問(wèn)題。

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All-digital Self-interference Cancellation in Full-duplex System

FU Ya-fei，ZHOU Rong

(College of Communication & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

With the rapid development of wireless technology,shortage of wireless spectrum becomes more and more prominent and thus effective utilization of radio spectrum is a hot spot for investigation in current wireless communications.FDR (Full Duplex Relay) systems have paid more attentions due to its wider coverage,larger system throughput and more effective spectrum efficiency.However,the leakage of signal appears because of characteristics in same time and frequency in applications of FDR technology,which leads to serious loop interference and prevents the communication system from its normal performances.On the bases of existing self-interference of FD system cancellation scheme and analysis on transmitter and receiver circuit phase noise,and nonlinear distortion and quantization noise,a copy of self-interference signal from auxiliary receiver circuit reconfiguration RF (Radio Frequency) has been employed to counteract self-interference signal and transmitter damage in the digital-domain.Simulation results show that the use of all-digital self-interference method can effectively eliminate self-interference of FD system and promote the system performance.

FD;SIC;digital cancellation;residual self-interference

2016-05-06

2016-09-08

時(shí)間：2017-03-07

國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA01A705)

付亞飛(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閰f(xié)作通信技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0920.020.html

TP302.1

A

1673-629X(2017)04-0176-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.039