同時同頻全雙工LTE射頻自干擾抑制能力分析及實驗驗證

徐 強 全 欣 潘文生 邵士海 唐友喜

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同時同頻全雙工LTE射頻自干擾抑制能力分析及實驗驗證

徐 強 全 欣 潘文生 邵士海*唐友喜

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室 成都 611731)

同時同頻全雙工本地發(fā)射信號會對本地接收信號產(chǎn)生強自干擾，為了使信號能夠通過射頻接收通道及模數(shù)轉換器件，需要在射頻前端進行自干擾抑制。在自干擾為直射路徑的條件下，該文采用直接射頻耦合法，對長期演進(LTE)同時同頻全雙工自干擾抑制進行實驗測試；分析推導了自干擾功率、帶寬及線纜、幅度、相位調整誤差對射頻自干擾抑制能力的影響；得到了射頻自干擾抑制能力的閉合表達式。分析表明對于20 MHz帶寬，?10 dBm接收功率的LTE射頻自干擾信號，理論上能抑制54 dB的射頻自干擾，而實驗測試結果表明能抑制51.2 dB。

無線通信；全雙工；自干擾；射頻抑制；長期演進(LTE)

1 引言

同時同頻全雙工(CCFD)是指設備的發(fā)射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作，使移動通信上、下行可以在相同時間使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工和時分雙工[1]模式，理論最大頻譜效率可以提升一倍；近三年來，CCFD得到了業(yè)界的廣泛關注[2,3]。

射頻自干擾抑制可以分為直接射頻耦合干擾抑制[6,7,12,13]和數(shù)字輔助射頻干擾抑制[2,14]，并且已經(jīng)得到了初步工程驗證[6,7,15,16]。直接射頻耦合干擾抑制的典型方法如文獻[6]和文獻[7]。文獻[6]將發(fā)射信號經(jīng)過可變衰減、可變延時處理后，得到干擾重建信號，將接收信號與干擾重建信號相減，完成射頻干擾抑制；經(jīng)實驗驗證，對于10 MHz帶寬的WiFi信號，可以抑制45 dB自干擾。文獻[7]在文獻[6]的基礎上，對干擾重建方法進行了改進，將發(fā)射信號經(jīng)過兩路可變衰減器和固定延時器，得到干擾重建信號；經(jīng)實驗驗證，對40 MHz帶寬的OFDM信號，可以抑制45~50 dB自干擾。射頻自干擾功率、帶寬以及線纜長度、幅度、相位調整誤差對射頻自干擾抑制效果的影響，目前還沒有分析和實驗驗證的報道。

本文采用直接射頻耦合干擾抑制方法，對長期演進(LTE)信號同時同頻全雙工展開實驗驗證；在自干擾為直射路徑的條件下，分析了實驗中干擾抑制方法的原理模型和射頻自干擾抑制能力；推導了自干擾功率、帶寬及射頻調整誤差對射頻自干擾抑制能力影響的閉合表達式；給出了射頻自干擾抑制能力隨干擾功率、干擾帶寬變化的理論關系曲線和實驗關系曲線；分析了實驗關系曲線與理論關系曲線存在差距的原因，以及曲線變化趨勢的依據(jù)。

本文內容安排如下：第2節(jié)給出了實驗采用的干擾抑制方法的原理模型，對該方法的工程設計和實現(xiàn)進行分析，并給出理論分析結果；第3節(jié)介紹了實驗驗證采用的實驗平臺、實驗條件、實驗方法；第4節(jié)給出了干擾功率、帶寬對射頻自干擾抑制能力影響的實驗曲線和理論曲線，并對實驗結果進行分析；第5節(jié)是全文的總結。

2 實驗設計原理

2.1 實驗原理模型

其中為有用信號，為自干擾信號，為接收通路噪聲。

一般情況下，本地發(fā)射天線與接收天線固定在同一設備上，收發(fā)天線間存在直射路徑。直射徑自干擾的能量遠遠高于其它散射路徑，是造成ADC阻塞的主要原因，因此射頻自干擾抑制目的是消除直射徑自干擾。基于以上分析，僅考慮直射徑自干擾，自干擾可以表示為[17]。

2.2 工程設計分析

工程實現(xiàn)中，考慮到大尺度可調時延器件的體積和成本問題，實驗中采用長度可調的傳輸線纜和可調相位器件等效實現(xiàn)時延調整。

將式(15)代入式(7)，得到對應射頻自干擾抑制能力為

根據(jù)式(11)，在最優(yōu)解式(14)情況下，信號每個頻點的干擾抑制情況可以用殘余干擾與噪聲的功率譜表示，即

2.3 誤差分析

2.4 理論分析結果

2.4.1線纜長度誤差 根據(jù)式(20)，可以得到不同帶寬下射頻自干擾抑制能力與線纜長度誤差的變化關系。在幅度和相位調整不存在誤差時，變化關系如圖2所示。可以看出：(1)帶寬固定時，射頻自干擾抑制能力隨線纜長度誤差增加而下降；(2)線纜長度誤差固定時，射頻自干擾抑制能力隨帶寬增加而下降；(3)對線纜長度的精度要求隨帶寬增加而提高，對于帶寬為5 MHz的信號，達到70 dB的抑制能力，線纜長度的允許誤差約為10%(約為4.2 cm)，對于20 MHz帶寬的LTE信號，線纜長度的允許誤差需要在2.5%(約為0.1 cm)以下。

3 實驗驗證

利用自制實驗平臺驗證射頻自干擾抑制方法的有效性以及發(fā)射信號功率、帶寬和射頻調整誤差對射頻自干擾抑制能力的影響。

3.1實驗平臺

根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析，實驗采用發(fā)射與接收通道板、干擾重建板及數(shù)字信號處理板共同完成射頻干擾抑制。其中，發(fā)射與接收通道板用于完成中頻信號的發(fā)射和接收；干擾重建板用于重建自干擾信號；數(shù)字信號處理板對接收中頻信號進行功率檢測，控制幅度衰減因子和相位調整值。硬件組成框圖如圖6所示。

圖2 不同帶寬下射頻自干擾抑制能力隨線纜誤差的變化

圖3 不同線纜長度下功率譜的變化(中心頻率為2.6 GHz)

圖4 不同帶寬下射頻自干擾抑制能力隨幅度誤差的變化

圖5 不同帶寬下射頻自干擾抑制能力隨相位誤差的變化

3.2 實驗環(huán)境及條件

本節(jié)實驗目的是驗證自干擾功率和自干擾帶寬對射頻自干擾抑制能力的影響。實驗在室內完成，采用的實驗條件和理論分析條件如表1，表2所示。

4 實驗結果及分析

4.1 實驗結果

4.1.1干擾功率對射頻自干擾抑制能力的影響 固定干擾帶寬為20 MHz，在接收功率分別為?50 dBm, ?40 dBm, ?30 dBm, ?20 dBm, ?10 dBm時，記錄射頻自干擾抑制能力。實驗結果與理論分析結果對比如圖7，可以看出：(1) 實驗結果與有工程誤差理論分析結果存在1.5~4.5 dB的差距，并且差距隨接收干擾功率的增加而減少；(2)隨著接收干擾功率的增加，射頻自干擾抑制能力在提高；(3)由于存在線纜、幅度、相位調整誤差，有工程誤差理論分析結果與無工程誤差理論分析結果存在1~34 dB的差距，并且差距隨接收干擾功率增加而增大；殘余干擾可以由后續(xù)的數(shù)字干擾抑制進行彌補。

4.1.2干擾帶寬對射頻自干擾抑制能力的影響 固定接收干擾功率為?10 dBm，在自干擾帶寬分別為5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz時，記錄射頻自干擾抑制能力。實驗結果與理論分析結果的對比如圖8，可以看出：(1) 實驗結果與有工程誤差理論分析結果存在1.5~3.5 dB的差距，并且差距隨干擾帶寬增加而減少；(2)隨著干擾信號帶寬的增加，射頻自干擾抑制能力在下降；(3)由于線纜、幅度、相位調整誤差，有工程誤差理論分析結果與無工程誤差理論分析結果存在約34 dB的差距；殘余干擾可以由后續(xù)的數(shù)字自干擾抑制進行彌補。

4.2 對比與分析

下面針對實驗結果與理論分析結果的不同之處以及曲線變化趨勢進行分析。

(1)實測結果與理論結果存在差距 圖7是干擾帶寬為20 MHz，不同干擾功率下射頻自干擾抑制能力的實驗測試曲線和理論分析曲線。圖7中可以看出，實驗結果與理論結果有1.5~4.5 dB左右的差距，差距會隨著干擾功率增加而減少。存在差距的主要原因是干擾重建板引入的噪聲以及實驗平臺的非理想特性[20]：

表1實驗條件

參數(shù)名稱參數(shù)值 發(fā)射信號格式LTE-OFDM 本地收發(fā)天線距離(cm)15 發(fā)射信號中心頻率(GHz)2.6 接收干擾功率(dBm)?50, ?40, ?30, ?20, ?10 發(fā)射信號帶寬(MHz)5, 10, 15, 20 噪聲系數(shù)(dB)3

表2理論分析條件

參數(shù)名稱參數(shù)值 線纜誤差(cm)5 幅度調整誤差(dB)0.005 相位調整誤差()0.05 接收干擾功率(dBm)?50, ?40, ?30, ?20, ?10 發(fā)射信號帶寬(MHz)5, 10, 15, 20 噪聲系數(shù)(dB)3

圖6 實驗平臺的組成

圖7 不同接收干擾功率下的射頻自干擾抑制能力

圖8 不同干擾帶寬下的射頻自干擾抑制能力

(a)抑制前干擾功率高于?30 dBm時，射頻自干擾抑制能力的實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的差距基本一致(1.5 dB左右)。由于理論殘余干擾功率在?83 dBm以上，比?98 dBm的底噪高出15 dB以上，根據(jù)式(7)，可以忽略底噪對實際射頻自干擾抑制能力的影響，因此存在差距的主要原因是實驗平臺的非理想特性。

(b)抑制前干擾功率為?50 dBm時，理論射頻自干擾抑制能力為46.9 dB，即抑制后干擾殘余功率為?96.9 dBm。考慮到實驗平臺的底噪為?98 dBm，抑制后殘余干擾功率與底噪相近，根據(jù)式(7)，底噪水平的高低會影響實際射頻自干擾抑制能力。由于干擾重建板會引入3 dBm的噪聲，使底噪水平抬升至?95 dBm，使射頻自干擾抑制能力最大只能達到45 dB；同時實驗平臺存在非理想特性，導致實際射頻自干擾抑制能力約為42.5 dB。

(c)干擾功率較小(低于?30 dBm)時，殘余干擾功率與底噪水平接近，噪聲和實驗平臺的非理想特性共同導致了實際射頻自干擾抑制能力與理論射頻自干擾抑制能力存在較大差距；隨著干擾功率的增加，殘余干擾功率與底噪的差距增大，實驗平臺的非理想特性成為存在差距的主要原因。因此，從總趨勢來看，實際射頻自干擾抑制能力與理論射頻自干擾抑制能力的差距會隨著干擾功率增加而減小。

圖8是干擾功率為?10 dBm，不同干擾帶寬下射頻自干擾抑制能力的實驗測試曲線和理論分析曲線。實驗結果與理論結果存在差距，并且差距會隨著干擾帶寬、幅度調整誤差、相位調整誤差的增加而減少，存在差距的主要原因是實驗平臺的誤差。隨著干擾帶寬的增加，根據(jù)式(20)，這些因素對實際射頻自干擾抑制能力的影響比實驗平臺誤差的影響更為明顯，因此，實際射頻自干擾抑制能力與理論射頻自干擾抑制能力的差距會隨著干擾帶寬增加而減小。

(2)射頻自干擾抑制能力隨干擾能量變化 從圖7可以看出，射頻自干擾抑制能力的趨勢是隨著干擾信號能量的增加而增強，并且存在極限值。

值得說明的是，射頻自干擾抑制能力強并不意味著殘余干擾能量小。事實上，干擾信號能量越強，殘余干擾能量越大，對有用信號解調的影響也越大。

(3)射頻自干擾抑制能力隨干擾帶寬變化 圖8可以看出，射頻自干擾抑制能力的趨勢是隨著干擾信號帶寬的增加而降低，主要原因在于用相位調整重建自干擾信號無法完全重建自干擾信號，帶寬越寬，重建自干擾信號的誤差越大。

存在線纜誤差時，只能通過調整重建信號的相位使殘余干擾能量最小。由式(14)可以看出，相位調整根據(jù)中心頻率的相位變化而進行調整。干擾重建支路將所有頻點經(jīng)過同樣相移得到干擾重建信號；而實際自干擾信號各頻點的相位變化是不同的，帶寬越大，相位變化差別越大。因此，帶寬越大，干擾重建信號誤差越大，射頻自干擾抑制能力也會相應下降。

5 結束語

文本采用直接射頻耦合干擾抑制方法，對LTE信號同時同頻全雙工進行了實驗驗證；在自干擾為直射路徑的條件下，分析推導了射頻自干擾抑制能力的閉合表達式；得到了射頻自干擾抑制能力隨干擾功率、干擾帶寬的變化曲線。實驗結果及理論分析結果表明：(1)射頻自干擾抑制能力隨干擾功率增加而變大，并且存在極限值；(2)射頻自干擾抑制能力隨干擾帶寬增加而減小；(3)射頻自干擾抑制能力的極限水平由線纜、幅度、相位調整精度決定。理論分析和實驗測試為射頻自干擾抑制的方法優(yōu)化、系統(tǒng)器件選型提供了理論指導，相關實驗測試為LTE同時同頻全雙工的工程應用提供了參考數(shù)據(jù)。

本文在分析和實驗過程中僅考慮了直射徑自干擾，且相位等效調整的方案對寬帶自干擾信號的抑制能力有限，因此有待進一步探索研究的方向包括：(1)自干擾信號存在多徑時的射頻自干擾抑制方法；(2)帶寬內平坦抑制自干擾的射頻自干擾抑制方法。

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徐 強： 男，1983年生，助教，博士生，研究方向為全雙工電路設計.

全 欣： 女，1988年生，博士生，研究方向為全雙工自干擾抑制.

潘文生： 男，1975年生，博士生，研究方向為寬帶射頻設計.

邵士海： 男，1980年生，副教授，研究方向為多天線信號處理.

唐友喜： 男，1964年生，教授，博士生導師，研究方向為數(shù)字通信、擴頻通信(包括CCFD, CDMA, OFDM)等.

Analysis and Experimental Verification of RF Self-interference Cancelation for Co-time Co-frequency Full-duplex LTE

Xu Qiang Quan Xin Pan Wen-sheng Shao Shi-hai Tang You-xi

(,,611731,)

Co-time Co-frequency Full-Duplex (CCFD) radio transmission will cause a strong self-interference in its receiver. To ensure the undistorted transmission in the Radio Frequency (RF) channel and effective sampling of the desired signal, the Self-Interference Cancellation (SIC) need to be applied to RF frontend. In this paper, the CCFD verification experiment is presented based on the Long Term Evolution (LTE) that adopts RF SIC with the coupled RF transmitted signal. Considering the direct path self-interference between transmit and receive antennas, the relationship among interference power, interference bandwidth, RF adjustment errors and SIC ability is analyzed. Consequently, the expression of SIC ability is derived. Analysis and experimental results show that the SIC abilities are 54 dB in theory and 51.2 dB in practice for a 20 MHz LTE signal with received power of ?10 dBm.

Wireless communication; Full-Duplex (FD); Self-interference; RF cancellation; Long Term Evolution (LTE)

TN92

A

1009-5896(2014)03-0662-07

10.3724/SP.J.1146.2013.00717

2013-05-23收到，2013-09-03改回

國家自然科學基金(61271164, U1035002/L05, 61001087, 61101034)，國家科技重大專項(2014ZX03003001-002, 2012ZX 03003010-003, 2011ZX03001-006-01)和中國航天科技集團公司衛(wèi)星應用研究院創(chuàng)新基金資助課題

邵士海 ssh@uestc.edu.cn