5G通信系統中同時同頻全雙工技術展望

劉陸軍 高良鵬 劉振鵬 李政澤 孫 淵/上海電機學院

5G通信系統中同時同頻全雙工技術展望

劉陸軍 高良鵬 劉振鵬 李政澤 孫 淵/上海電機學院

同時同頻全雙工技術和現有無線通信系統的新型雙工技術存在很大的差別，要實現全雙工技術需要克服許多困難，收發機的自干擾問題就是其中最應該解決的問題。目前狀況下所用的消除干擾的方法有：天線干擾消除、射頻干擾消除、數字干擾消除，其綜合性能已經基本能滿足實驗室全雙工通信。

全雙工；自干擾；干擾消除；5G

引言

隨著LTE在國際范圍內商用進程的飛速發展，5G的研究成為了各國競爭的焦點。5G的定位是頻譜利用更高，信息處理更快，數據的吞吐量更大的無線網絡，它會改變我們的通信方式與現在相比會大大降低時延和卡頓對無線網絡通信的影響。它的發展方向將以“以人為本”為中心，在移動互聯網、移動終端、物聯網等領域進一步的發展和創新。

1.同時同頻全雙工的工作原理

采用CCFD的無線通信系統，首先是清楚發射機和接收機的節點對于有用信號都是干擾源,所以這樣得要求接收點在工作的同時還得可以消除干擾，并且能夠抑制干擾，大大降低對有用信號的干擾。因此CCFD的關鍵技術在于干擾的最大幅度消除，由于受RF干擾消除器件精度的影響再加上價格的因素并沒有推廣商用[1]。隨著技術的發展現有的商用RF干擾消除器件能夠滿足民用要求，從而使CCFD的商用得以實現。

1.1 天線干擾消除

兩根發射天線和一根接收天線就是目前天線消除原理的設備。在滿足發射天線發射信號的波長是兩根天線距離的半波長的奇數倍，這樣通過兩根天線的信號會以相反的相位到達天線的接收點，這樣會使干擾信號自行干涉相消，通過這樣接收天線收到的自干擾信號就會大大減弱，再利用噪聲信號消除電路和數字域消除技術，就可以達到預期目標。

1.2 射頻干擾消除

射頻干擾消除的重點是調節干擾參考信號的相位和幅度，從而達到精確干擾消除的目的，而這樣干擾消除的重點是自適應調節。MIMO技術可以與射頻干擾消除技術同時使用，然而在天線多的情況下的高階MIMO難以實現[2]。

1.3 數字干擾消除

在同頻全雙工系統進行數字自干擾時，自干擾的信息為已知，因此相比傳統的數字對消省去先解出不期望的發射機信息。要對數字干擾消除進行清晰的了解，可以建立一個 ADC 量化進行數字通過對消實現同頻全雙工的M-QAM 的系統模型。

2.同時同頻全雙工在5G中的展望

2.1 同時同頻全雙工在5G中的挑戰

5G網絡需要具備更高的傳速效率、更高的數據吞吐量和更加迅速的反應時間；為了實現5G通信的需求應運而生同時同頻全雙工技術，此技術的應用能夠在頻譜利用上滿足5G通信的基本需求，所以同時同頻全雙工技術備受國內外重視。

各國研究機構都在加緊對5G從實驗室到商業化開始研究并實施一系列技術的融合，在早期的5G技術只滿足在實驗室對5G通信的基本實現不能夠大規模的推廣商用，重要的原因之一就是成本太高，能耗也是個避不開的問題，所以用數學建模和統一化的平臺創立隨之而生[3]。

2.2 新平臺的搭建優化全雙工技術在5G通信的效率

資策會多會在用可編程閘矩陣硬件平臺配合HDL進行直接現場開發平臺。這樣就要求硬件工程師了解繁瑣復雜的數位硬體設計用于開發FPGA，在此基礎上還必須對合成電路以及后續的系統設計、系統優化等消耗精力、物力[4]。同時還需要軟件工程師在韌體和操作界面設計等方面進行投入時間和精力。在這一個系統就需要花費大量的人力物力財力，根本不適宜大規模商業推廣。

NI SDR平臺的搭建就會應運而生，在滿足5G通信的基礎上必須得保證所搭建的平臺有足夠的可擴容可修改性。在滿足對5G通信的速度和效率的同時達到全雙工對射頻敏感度要求高等許多條件，策委會在參考了很多先進的模型通信系統后決定使用如下圖1.所示的NI SDR平臺。

圖1 NI SDR平臺

3.5 G終端應用場景

隨著移動互聯網的大力推進，如今的通信模式發生了很大的改變，甚至可以用日新月異來形容。在當今的社會可以說沒有信息的流動就不是個健全的社會，真正可以說足不出戶就可以知道天下事看到每天全球發生的事，在人與人之間的每天發生的事情都可以全天侯全場景的在網絡上共享。同時5G的推進就會在如今的基礎上大大變革現在的通信方式以及網絡擁堵以及時延等很多問題，在移動互聯網和網聯網領域5G會得到很大很廣的應用，見圖2所示。

3.1 移動互聯網領域

在如今的時代移動互聯網在生活中的改變可謂是方方面面，我們的移動端也是隨著移動通信網絡發生著代數的更替，在以前的2G或者說3G乃至4G都會是一次又一次的革命和創新，在未來的5G更會是在移動互聯網領域發生變化，未來的人與人之間的視頻通信會達到零延遲，在游戲娛樂方面更會使虛擬的東西更加真實化，在數據交互和數據處理方面會更加迅速和更加快捷。

3.2 物聯網領域

物聯網可是在最近的幾年發展迅速，物聯網的產生可謂是很大程度上更加優化了移動互聯網服務的領域，在個人業務和公司集團等業務都有很大的提升，在個人方面5G通信可以更加優化目前存在的智能家居，以及個人身體健康監測等等；在公司等業務方面，物聯網可以大大增強無線信號的覆蓋范圍，而且由于5G的存在會大大優化目前物聯網的靈活性和穩定性。同時5G通信系統的存在會更加適應現在物聯網大型化的需求。

圖2 5G應用場景

4.結語

本文主要介紹了對5G通信系統中同時同頻全雙工的干擾消除技術的展望，同時同頻全雙工是近年來提出的新的通信技術之一，由于同時同頻全雙工在技術上對現有的技術提出了很大的挑戰，阻礙其應用發展的最大的一個技術就是自干擾的消除，伴隨著研究的發展一些自干擾的消除方法也隨著產生，天線干擾消除、射頻干擾消除、數字干擾消除，成為目前的主流方法，在現有的干擾消除的進度來說，已經初步實現了實驗室的同時同頻全雙工通信。

[1]卞宏梁,曹磊,孫震強.同時同頻全雙工技術研究[J],電信技術,2013,12.

[2]秦爽.LTE小區間干擾協調仿真研究[D].浙江工業大學,2014.

[3]劉浩,沈竹,劉永飄.無線直放站的干擾自適應消除技術[J].電子與信息學報.2009,1.

[4]百度百科[EB],FDD,TDD,CDMA,同時同頻全雙工.

劉陸軍：（1993.10）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業。

高良鵬：（1996.3）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業。

劉振鵬：（1996.9）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業。

李政澤：（1996.5）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業。

孫淵：(1969.8）女，上海電機學院，教授，博士，研究領域為機械設計及其自動化。