全雙工系統的全數字自干擾消除

付亞飛，周 榮

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

全雙工系統的全數字自干擾消除

付亞飛，周 榮

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

隨著無線技術的快速發展，無線頻譜資源日益短缺，提高無線頻譜利用率已經成為目前無線通信領域的研究熱點之一。全雙工中繼系統因其具有更廣的覆蓋范圍、更大的系統吞吐量以及更有效的頻譜效率而受到廣泛關注。但在全雙工中繼技術應用中，通信的同時與同頻特性使得中繼站出現信號泄露，從而導致了嚴重的環路自干擾問題，嚴重影響了通信系統性能的發揮。基于現有全雙工系統自干擾消除方案，在分析發射機與接收機電路相位噪聲、非線性失真和量化噪聲的基礎上，采用輔助接收機電路重構射頻(Radio Frequency，RF)自干擾信號的副本，在數字域中抵消自干擾信號和發射機的損傷。仿真實驗結果表明，所采用的全數字消除方法能夠有效消除FD系統的自干擾，顯著提升系統效能。

全雙工；自干擾消除；數字消除；殘留自干擾

0 引 言

目前常見的全雙工通信系統有時分雙工(Time Division Duplex,TDD)和頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)。由二者的工作原理可知，時分雙工雖然同頻但卻不同時，頻分雙工雖然同時卻不同頻，它們都沒有真正的實現同時同頻，從而極大地浪費了資源。近年來，許多學者開始研究一種全新的通信系統——同時同頻的全雙工通信系統，即在同一頻率下(上、下行鏈路的帶寬相同)[1]，同時接收信號并發送信號。

該技術既可以解決時分雙工信道不一致的問題，又可以緩解頻分雙工系統帶寬資源浪費的問題，從而得以節省時間和頻譜資源，提高系統性能。相對于FDMA系統而言，同時同頻全雙工系統的帶寬是其一半，而信道容量卻比TDMA增加了一倍[2]。在全雙工系統中，信號收發器的發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的功率有可能是有用信號功率的幾倍[3]，對于一個同時同頻的全雙工系統而言，要想實現信號的正常接收，必須有效抑制自干擾信號。

最近的國內外研究表明，可以通過研究不同的系統架構和自干擾消除技術來消除自干擾信號。使用數字域減值抑制技術，即減輕收發機的相位噪聲和非線性效應對自干擾消除性能的影響。利用獨立的振蕩器和接收路徑對全雙工系統中的相位噪聲進行估計和抑制[4]。改進的數字消除技術與非線性抑制算法提出通過抑制收發機的非線性來抑制自干擾信號[5]。研究表明，即使是使用非常復雜的技術，也只能相應地抑制大約2 dB的相位噪聲，因此全雙工系統的相位噪聲抑制仍然是一個相當大的問題。

在廣泛研究全數字化自干擾消除技術的基礎上，將SISO(Single-In-Single-Out)-FD數字自干擾消除進化擴展至MIMO(Multiple-In-Multiple-Out)-FD數字自干擾消除，與射頻和模擬消除技術[6]相比，有效抑制了發射機和接收機的自干擾。在系統架構中加入了輔助接收機鏈路，可重建包括所有發射機損傷的數字域的發射射頻自干擾信號副本，可作用于輔助和普通接收機鏈之間共享的振蕩器以減輕接收機的相位噪聲，以抵消數字域中自干擾信號和發射機損傷。此外，采用輔助接收機鏈和普通接收機鏈共享一個共同振蕩器的方法,可緩解接收機的相位噪聲，有效減輕收發機的損傷[7]，降低技術實現的復雜度。

1 系統模型

給出的系統模型詳細說明了全雙工收發機的結構。圖1為基于全雙工收發機的全數字自干擾消除技術的框圖。

圖1 全數字自干擾消除的框圖

如圖1所示，該收發機由普通的收發鏈路和消除自干擾的輔助接收機鏈路構成。在發射機一側，輸入信號經QAM(正交幅度調制)后上變頻到射頻頻率。隨后將上變頻信號過濾、放大，通過發送天線發送。一部分放大信號反饋到輔助接收機鏈。在輔助接收機輸入端的信號功率是由功率分配器控制的，因此，輔助接收機鏈路上的低噪聲放大器(LNA)可忽略。反饋信號和普通接收機接收的信號下變頻到基帶后通過輔助接收機和普通接收機進行區分。輔助接收機鏈路和普通接收機鏈路是相同的，并共享相同的鎖相環(PLL)。功率放大器(功放)到輔助接收機的無線信道的傳遞函數表示為Haux，無線自干擾信道傳遞函數的頻域表示為Hord。

輸出信號反饋到信道估計模塊，以獲得普通信道和輔助信道的估計比值(Hord/Haux)。信道估計所使用的傳輸時域正交訓練序列位于每個數據幀的開始。該數字干擾消除的過程是：估計信道的輸出信號與輔助接收機的輸出信號相乘，并從接收到的信號中減去這個相乘的結果，得到無干擾信號。

文中考慮了主要的發射機損傷和接收機損傷，即發射機和接收機的相位噪聲、發射機和接收機的非線性模數轉換器(ADC)的量化噪聲以及接收機的高斯噪聲。因為從功放(PA)處獲得的反饋信號中包含了發射機的減損副本，所以該架構可以有效減輕發射機的所有損傷。此外，通過共享輔助接收機鏈路和普通接收機鏈路之間的鎖相環可以緩解接收機的相位噪聲。

考慮發射機的相位噪聲φtx和功放的非線性失真信號dtx，則發射信號在功放處的輸出信號可以表示為：

ytx(t)=x(t)ej(2πfct+φtx(t))+dtx(t)

(1)

其中，x為發射的基帶信號；dtx為由功放導致的發射機的非線性失真信號；fc為載頻。

輔助接收機輸出的數字基帶信號yaux可表示為：

(2)

類似地，數字基帶信號yord在普通接收機處的輸出信號可以表示為：

(3)

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

經過數字自干擾消除后的信號YDC可以表示為：

(4)

(5)

2 全數字自干擾消除方案

文中研究的數字自干擾消除技術的主要思想是：獲得所傳送的包括所有發射機損耗的自干擾信號的副本，并在接收機的數字域自干擾消除模塊中使用此副本信號。假設輔助接收機鏈和普通接收機鏈是沒有損耗的，那么該技術架構能夠完全消除自干擾信號和發射機損傷。但是由于接收機損傷和信道估計誤差的存在，不可能完全消除自干擾。實際上，接收機損傷和信道估計誤差還會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衡，對損傷因素進行了整體性的研究分析。在分析中，所有發射機損傷都是整體分析的，只有接收機的損傷是單獨分析的。在分析過程中，個體損傷、輔助信道傳遞函數和普通信道傳遞函數假設都是已知的，并單獨研究了信道估計誤差的影響。研究分析是基于具有64路子載波(頻率20MHz)的OFDM系統，載波頻率設定為2.4GHz。

本節將研究數字消除技術對自干擾消除的總的性能效果，包括接收機和收發機的所有損傷，系統中影響殘留自干擾功率的所有設計權衡和因數都會加以討論。影響殘留自干擾功率的因素包括：每一個接收機的損傷功率、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)。在實際的全雙工系統中，上述四個參數并不是相互獨立的。自干擾信道的萊斯因子與所消除的自干擾信號功率成反比[8]。因此，為了得到更加可靠的實驗結果，在整體的研究中，不能忽略4個參數間的相關性。

文中給出的所有系統參數是基于實際的收發機及實時實驗結果。發射機和接收機的損傷數據[9]如下：

(1)假設發射機和接收機相位噪聲的總功率為-40dBm；

(2)假設ADC的量化位數為14位；

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

(4)發射機和接收機三階失真功率電平是-45dB線性功率電平的分量。

該系統進行仿真的信道模型是5Hz的多普勒頻率信道，訓練開銷假設為4%。

根據系統模型，提出三種實際情況下的被動抑制技術：

(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，可以被動抑制25dB的自干擾[10]；

(2)發射機和接收機的天線使用吸收材質的定向電線[9]，且自干擾信道萊斯因子為0dB時，可以被動抑制25dB的自干擾；

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

三種方案提出的自干擾消除技術都能抑制相位噪聲和非線性效應，使得殘留自干擾功率低于接收機的噪底。因此，和以往的數字消除技術相比，文中所研究的數字消除技術不再受相位噪聲和非線性效應的限制。在第一種方案中，由于接收的自干擾功率相對較高，比起其他噪聲，接收機的高斯噪聲是主要的性能限制因素。然而，高斯噪聲隨著發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抑制量相對較低，所以該方案更適合應用在發射功率較低的系統中。此外，簡單的模擬消除技術(例如Balun技術[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。消除了接收機的高斯噪聲，衰落效應導致的信道誤差將會是下一個自干擾消除技術中的瓶頸。然而比起接收機的其他損傷，有很多消除衰落效應的方法。例如，在不同的數據幀之間內插信道；在OFDM碼元內插入追蹤信道變化的導頻信號；使用短幀；用插入導頻信號的幀代替插入循環前綴的幀。在基于導頻的幀結構中，導頻子載波插入到OFDM碼元內，以便在接收端進行信道估計。這樣的導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，分析了全數字消除技術下的系統可達速率，并與傳統的半雙工系統的速率進行了比較。假設全雙工和半雙工系統中收發機的所有損傷都是存在的，信號的發射功率分別為20dBm和5dBm。則獲得的全雙工和半雙工速率表達式為：

RFD=E[log2(1+SINRFD)]

(6)

(7)

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

圖2反映了三種不同的被動自干擾抑制方案下系統的可達速率與信噪比之間的變化關系圖。

(a)第一種方案下信道可達速率隨信噪比變化的仿真圖

(b)第二種方案下信道可達速率隨信噪比變化的仿真圖

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

從這些仿真結果中可以得出以下結論：

(1)三種方案對自干擾消除的效果明顯優于傳統的數字消除技術，除了第三種方案中發射功率為5dBm時與傳統的數字消技術效果相同。第三種方案中，發射功率為5dBm且被動抑制量為60dB時，只需要消除35dB的自干擾信號就能達到接收機的自干擾噪底。消除35dB的自干擾對于傳統的數字消除技術來說是很容易實現的。但是隨著發射功率的增加，文中所研究的數字消除技術將能夠更好地抑制自干擾，而傳統的數字消除技術將無法抑制更多的自干擾。

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

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

4 結束語

針對全雙工技術發展中遇到的技術瓶頸，得出收發天線間存在的自干擾是全雙工通信系統面臨的主要挑戰。通過不斷改進全雙工消除技術，有效抑制了發射機和接收機的自干擾。在系統架構中加入了輔助接收機鏈路，可重建包括所有發射機損傷的數字域的發射射頻自干擾信號副本，可作用于輔助和普通接收機鏈之間共享的振蕩器以減輕接收機的相位噪聲，以抵消數字域中自干擾信號和發射機損傷。此外，給出了非線性估計和抑制技術用于減輕接收機的非線性效應，并詳細分析和研究了發射機和接收機的損傷對自干擾消除性能的影響。仿真結果表明，全數字自干擾消除技術能夠有效改善全雙工系統的殘余自干擾和信道速率。目前僅研究了兩個節點之間的自干擾消除的情況，并沒有研究中繼節點的自干擾消除，后續工作可推廣至研究全雙工中繼系統數字自干擾消除問題。

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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

時間：2017-03-07

國家“863”高技術發展計劃項目(2014AA01A705)

付亞飛(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為協作通信技術。

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