雙向全雙工中繼系統自干擾抑制

鞏玉林，周成杰

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

雙向全雙工中繼系統自干擾抑制

鞏玉林，周成杰

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

作為5G的關鍵技術，全雙工中繼(Full-Duplex Relay，FDR)技術憑借其頻率復用的優勢而備受業界關注。FDR不僅能夠提高系統容量，還可以用極低的成本來擴大覆蓋范圍。然而，其同時同頻收發信號的特性導致嚴重的環路自干擾，這成為制約其發展的主要因素。針對FDR系統自干擾抑制(Self-Interference Cancellation，SIC)這一核心問題，主要采用空域方法抑制MIMO中繼自干擾，以降低系統誤碼率，提高系統容量。將FDR與雙向通信相結合，建立雙向全雙工中繼系統模型。基于原零空間投影法設計中繼節點的編譯碼器，并采用時域方法抑制源節點接收端的自干擾。理論分析和仿真結果表明，采用這樣的設計模型能夠有效抑制雙向FDR系統自干擾，大大提升系統性能。

全雙工中繼；自干擾抑制；MIMO；空域SIC；全雙工中繼

0 引 言

全雙工(Full Duplex,FD)技術作為近年來的新興熱點和先進概念，將給無線通信帶來思維上的范式轉變，也將影響下一代通信系統的設計和運行模式[1]。中繼技術不僅可以提高系統容量，還可以大幅增加小區覆蓋范圍，且中繼設備的復雜度遠低于基站，大大降低了覆蓋小區的成本。通過全雙工和中繼系統的結合可以使兩者優勢互補，發揮出更大的作用。此處對于全雙工的定義是：通過同頻無線電同時收發信號而進行頻率的復用。因此，全雙工技術有時也被描述為單頻瞬時收發(Simultaneous Transmit And Receive，STAR)技術。隨著無線通信呈現出高速化、移動化、泛在化和異構融合化的趨勢，頻譜資源日益緊缺，而全雙工技術憑借其在頻率復用上的優勢，廣受業界關注。全雙工中繼系統由于受到自干擾信號的影響，減少了整個系統的信噪比(SNR)[2-4]。自干擾信號的產生是因為中繼處發送信號與接收信號的耦合。即使如此，全雙工中繼，理論上在系統容量方面依然是很好的解決辦法；在實際應用中，功率非常大的自干擾會讓全雙工中繼很難實現。因此，無線中繼的大部分學術研究都是基于半雙工實現的。如果自干擾的問題得到解決，同時考慮速率損失因素，全雙工中繼系統相比較于半雙工中繼系統能夠提供更有效的、更高的端到端SNR性能。例如，多輸入多輸出(MIMO)中繼能夠在空間域抑制自干擾[5-8]。通過對中繼發送端和接收端的波束賦型矢量進行合理選擇，能夠減弱自干擾的影響，從而產生更高的端到端SINR，進而最優化系統容量[9-12]。針對FDR系統自干擾抑制(Self-Interference Cancellation，SIC)這一核心問題，文中采用空域方法抑制MIMO中繼自干擾，以降低系統誤碼率[13-14]，提高系統容量。

1 系統模型

圖1為雙向MIMO全雙工中繼通信系統模型。系統包括3個節點：源節點S1、S2以及中繼節點R。并且三個節點均配備多天線：S1節點發射天線數為MT1，接收天線數為MR1；S2節點發射天線數為MT2，接收天線數為MR2；R節點發射天線數為NT，接收天線數為NR。假設S1、S2與R節點均工作于全雙工模式，即在同頻信道上，每個節點收發信號分別并發進行。中繼節點采用AF轉發協議。

圖1 雙向全雙工MIMO中繼通信系統

該通信系統包含7個通信信道，且均假設為準靜態瑞利平坦衰落信道。

(1)S1-R信道，信道響應矩陣為HS1R∈NR×MT1，且其元素都服從復高斯正態分布，即；

(2)R-S1信道，信道響應矩陣為HRS1∈MM1×NT，且其元素都服從復高斯正態分布；

(3)S2-R信道，其信道響應矩陣為HS2R∈NR×MT2，且；

(4)R-S2信道，其信道響應矩陣為HRS2∈MR2×NT，且；

(5)R-R環路信道，其信道響應矩陣為HRR∈NT×NR，且；

(6)S1-S1環路信道，其信道響應矩陣為HS1S1∈MR1×MT1，且；

(7)S2-S2環路信道，其信道響應矩陣為HS2S2∈MR2×MT2，且。

假設S1與S2之間由于信道衰落嚴重以及陰影效應等影響，兩者間不存在直接的通信鏈路。設在t時刻，源節點S1和S2發送信號分別為x1[t]和x2[t]，x1[t]∈MT1×1,x2[t]∈MT2×1，發送功率分別為P1和P2；中繼節點接收信號為yR[t]∈NR×1，其轉發信號為xR[t]∈NT×1；節點S1和S2的接收信號為y1[t]和y2[t]，y1[t]∈MR1×1,y2[t]∈MR2×1。則源節點發射信號的協方差矩陣為：

(1)

(2)

設中繼節點轉發信號的協方差矩陣為：

(3)

且滿足功率限制條件tr{RxR}=PR。

在t時刻，中繼節點的接收信號表達式為：

yR[t]=HS1Rx1[t]+HS2Rx2[t]+HRRxR[t]+nR[t]

(4)

其中，nR[t]∈NR×1表示中繼節點處的接收噪聲。假設nR[t]為均值為0、協方差矩陣為的加性高斯白噪聲。

設中繼節點放大轉發矩陣為Β∈NT×NR，且中繼節點處信號處理時延為τ，則中繼節點轉發信號為：

xR[t]=ByR[t-τ]

(5)

將式(4)代入式(5)，可得：

(6)

在t時刻，S1和S2的接收信號為：

yi[t]=HRSixR[t]+HSiSixi[t]+ni[t]

(7)

其中，i=1,2；ni[t]∈MRi×1為Si節點處的接收噪聲，假設ni[t]為均值為0、協方差矩陣為的加性高斯白噪聲。

將式(7)代入式(6)可得：

(8)

(9)

2 中繼節點空域SIC方案

如圖2所示，與單向全雙工中繼通信相比，雙向全雙工中繼系統的三個節點S1、S2、R均為全雙工節點，故自干擾的形式較之于單向中繼系統更復雜：中繼節點同時收發信號，產生自干擾；源節點S1(S2)同時收發信號，同樣產生自干擾。但上述兩種形式的自干擾略有不同：中繼處采用AF轉發協議，故其收發信號相互干擾；而源節點直接產生并發送數據，故其發射信號對接收信號存在干擾，反之則無干擾。因此，按照干擾產生及處理的位置，分為兩部分：中繼處自干擾抑制和源節點(或目的節點)處的自干擾抑制。

圖2 中繼自干擾抑制示意圖

(1)中繼處自干擾抑制。

圖2中，WR與WT為中繼節點的接收譯碼器和發射預編碼器。假設中繼節點采用AF協議轉發，設B為其放大因子矩陣，中繼節點對信號的處理時延為τ(為便于表示，將中繼的信號時延加在放大器上，此舉不影響后續操作的正確性)。如圖可知，中繼節點各個位置的信號表達式為：

yR[t]=HS1Rx1[t]+HS2Rx2[t]+HRRxR[t]+nR[t]

(10)

(11)

(12)

(13)

由式(10)～(13)可得：

(14)

為抑制中繼處的自干擾，需滿足式(15)：

WRHRRWT=0

(15)

若中繼自干擾得到抑制，其轉發信號變為：

xR[t]=WTBWR(HS1Rx1[t-τ]+HS2Rx2[t-τ]+nR[t-τ])

(16)

滿足功率約束條件tr{RxR}=PR。由式(15)、(16)可知，雙向系統在中繼節點對編碼器WR和WT的設計與單向系統是一致的，改變的僅為功率約束條件。

(2)源節點處的自干擾抑制。

信號經過中繼節點的處理后，將繼續轉發至源節點S1和S2。由于S1和S2的網絡位置相似，故先以S1為例，獲得其接收信號表達式，同理可求得S2處接收信號。

由于S1節點同樣工作于全雙工模式，故其在t時刻的接收信號為：

y1[t]=HRS1xR[t]+HS1S1x1[t]+n1[t]

(17)

將式(16)代入式(17)可得：

y1[t]=HRS1WTBWRHS2Rx2[t-τ]+HRS1WTBWRHS1Rx1[t-τ]+HS1S1x1[t]+HRS1WTBWRnR[t-τ]+n1[t]

(18)

其中，第一項為目標信號；第二項和第三項可看作S1處總自干擾；第四項和第五項為噪聲項。

假設S1節點接收端能夠獲知任意時刻自身發射端所發信號，另外，假設S1節點能夠獲取所有信道狀態信息。因此，S1接收信號能夠直接抑制式(18)中的所有x1項。經過干擾抑制處理后，S1接收信號變為：

y1[t]=HRS1WTBWRHS2Rx2[t-τ]+HRS1WTBWRnR[t-τ]+n1[t]

(19)

同理，可以求得t時刻S2節點接收信號：

y2[t]=HRS2WTBWRHS1Rx1[t-τ]+HRS2WTBWRnR[t-τ]+n2[t]

(20)

通過以上分析計算，可以很容易地計算出系統容量：

(21)

(22)

則S2-R-S1的信道容量為：

(23)

S1-R-S2的信道容量為：

(24)

故總容量為C=C1+C2。

3 數值仿真與分析

基于上述分析，通過MATLAB仿真結果來直觀地說明經過空域SIC方案處理過的全雙工中繼系統的性能得到了顯著提升。本節將對雙向全雙工MIMO中繼自干擾抑制前后的系統性能進行比較。仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖3反映了自干擾抑制前后，S1和S2總誤碼率隨S1-R間信噪比的變化關系。

圖3 系統誤碼率隨S1-R間信噪比變化關系仿真

由圖3可知，中繼自干擾抑制前，誤碼率維持在0.46左右，系統無法得到很好的譯碼性能。在理想情況下(即中繼不存在自干擾)，當信噪比SNR=25dB時，誤碼率降至10-5。而在實際環境下，若采用空域自干擾方法，在中繼處設計優化的編碼器抑制產生的自干擾，當SNR=30dB時，誤碼率降至10-4。相比自干擾抑制前，系統可靠性得到顯著提高。

圖4反映了系統容量隨S1-R間信噪比的變化關系。

圖4 系統容量隨S1-R間信噪比的關系仿真

由圖4可知，在中繼采用空域SIC方案后，系統容量得到較大提高(SINR=30dB時，容量提高至16.7bps/Hz)。且MIMO中繼下的系統容量也大于SISO中繼下的容量(SNR=30dB時，理想SISO中繼系統容量為14.3bps/Hz)。顯然，空域SIC方案能夠很好地抑制全雙工中繼的自干擾，經過空域SIC處理后的系統性能得到了極大提升，系統容量也比半雙工更好，各項性能得到了很好的提升。

4 結束語

文中通過設計一種雙向通信與全雙工中繼通信相結合的有效模型，采用空域SIC方案抑制雙向全雙工中繼通信的自干擾。仿真結果表明，將空域自干擾抑制方法應用到雙向全雙工中繼通信系統中，不僅能夠降低系統誤碼率，同時極大地提升了系統容量。

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Self-interference Cancellation in Bidirectional Full-duplex MIMO Relay System

GONG Yu-lin，ZHOU Cheng-jie

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

As a key technology of 5G,Full-Duplex Relay (FDR) technology with its advantages of frequency reuse is concerned by the industry.FDR not only can improve the system capacity but also be used at very low cost to expand coverage.However,the characteristics of simultaneously sending and receiving signals of the same frequency result in serious self-interference of loop,which is a major factor restricting the development.For the core issue,Self-Interference Cancellation (SIC),in FDR system,the method of special domain is used to eliminate interference in MIMO in order to reduce the bit error rate and improve the system capacity.FDR is combined with bidirectional communication to establish bidirectional full-duplex relay system model.The encoder and decoder of relay nodes is designed based on original zero space projection,and time-domain method is applied to eliminate interference from the source node receiving end.Theoretical analysis and simulation results show that this model can effectively eliminate the bidirectional FDR system self-interference,greatly improving system performance.

full-duplex relay;self-interference cancellation;MIMO;spacial SIC;FDR

2016-03-17

2016-06-23

時間：2017-01-04

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2014AA01A705)

鞏玉林(1990-),男，碩士研究生，研究方向為協作通信。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1102.088.html

TP302

A

1673-629X(2017)01-0173-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.01.039