同时同频全双工数字自干扰消除探究.doc

同时同频全双工数字自干扰消除探究 　　【摘要】 在5G通信研发中，同时同频全双工作为提高频谱效率的关键技术之一，需要克服的重要问题就在于自干扰的消除。本文研究了关注甚少的数字消除方式，全面分析了信道估计联合自适应滤波的消除方案 【关键词】 无线通信 同时同频全双工 数字消除 一、引言 近年来，4G通信技术已日趋成熟，然而随着用户速率和业务量需求的飞速增长，无线通信系统所需的带宽不断增大，对频谱资源的需求也在迅速增加，为满足日益增长的通信需求，5G的研发已提上日程。尽管5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，但亟待解决的问题也很多，在无线传输技术方面，同时同频全双工就是解决频谱效率问题的关键技术之一 传统的时分双工和频分双工这两种双工技术作为无线通信系统中的主流技术，已在无线通信领域广泛使用。但是，时分双工与频分双工技术中存在的问题，使这两种技术性能受到限制。例如，使用时分双工会使节点间的信道不一致特性恶化，同时由于通信双方分时的收发数据，时间利用率不高，影响通信效率。而另一方面在频分双工通信系统中，当节点试图相互发送与接收信号时，需要在某一频段发射信号，在另一频段接收信号，导致进行双工通信需要两倍的单向通信链路带宽，在无线频谱资源日益紧张的今天，带宽资源占用太大，并且会限制系统中可以通信的节点数量。在传统技术的这些缺陷下，国外研究者提出尝试让双工通信节点双方在同一频带上同时发送与接收信号，即全双工（Full Duple，FD）技术，而在国内，通常称之为同时同频全双工（Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD）技术 虽然同时同频全双工比起传统双工方式节省了一半的时间开销与频率开销，使频谱效率加倍，但是该技术有一个显著问题要解决，就是本地自干扰的抑制。对相互通信双方的任一节点而言，对方发射天线发来的信号为自身需要的期望信号，而自身发射天线的发射信号对自身接收端就造成干扰，称之为自干扰。由于自身节点收发天线之间的距离远小于相互通信的节点之间距离，这个自干扰信号就远大于期望信号，显然，消除自干扰就是最关键任务。现行的自干扰消除研究中，根据干扰消除方式和位置的不同，可分为天线、射频、数字三种方式 天线消除的原理是将收发天线在空中接口处分离，从而降低发射机信号对接收机信号的干扰，主要有以下三种方式： 1）拉远发射天线和接收天线之间的距离，采用分布式天线，增加电磁波传播的路径损耗，以降低双工干扰（DI）在接收端的功率； 2）直接屏蔽DI：在?l射天线和接收天线之间设置一微波屏蔽板； 3）配备多发射天线，调整多个发射天线到接收天线的距离，使发射信号在接收天线处相位相反实现抵消 而射频方式主要是在模拟域通过射频电路以相位反转的形式实现干扰抵消，该方式研究较广泛且成效可观。天线、射频方式研究较早且关注较多，并且自干扰消除效果显著，而数字方式较前两者而言关注甚少，目前大概也只能实现10dB至15dB的自干扰功率衰减，但作为对整体干扰消除效果的完善，数字方式不可或缺，因此还有待更多的研究 本文分析的数字自干扰消除方式为基于信道估计的自适应滤波方案，第二节阐述该方案的原理及整体框架，第三节分析信道估计的原理方法，第四节介绍时域自适应滤波算法，第五节探讨该数字消除方案需要注意的问题，最后，作出总结展望 二、数字自干扰消除方案 由于在天线、射频消除后，接收信号中往往还存在残余自干扰，需要通过数字域消除方式进一步完善消除性能。与射频消除思想类似，数字方式也是干扰抵消原理，通过重建干扰信号副本，然后在总的接收信号中减去以消除自干扰，不同的是，数字方式是将信号经过模数转换变为数字信号后再作消除。然而，在同时同频全双工无线通信系统中实施的数字干扰消除比在其他应用中使用的数字消除（如连续干扰消除（简称SIC）与解码等）比起来，更具挑战性，因为全双工设备中若丢失了20%的数据包，就意味着系统仅仅是可用而已。因此，为了在后续提取期望信号的工作中能提高精确度，完善数字自干扰消除性能就很有必要，这就要求自干扰信号能被准确消除，那么获取自干扰信号特性以及实时捕获它的变化就显得尤为重要，这里分析的信道估计联合自适应滤波消除方案则是一种有效方式。图1所示为该数字自干扰消除方案的基本框架 由于本地自干扰信号在到达自身接收端时会受无线信道影响，振幅、相位等信号特性会发生变化，要使滤波器产生精确的自干扰估计信号，首先得通过信道估计获取自干扰信道冲激响应，并作为滤波器的初始加权系数，再结合自适应算法进行调整，以使滤波器能实时跟踪自干扰信号的变化，从而输出更接近于干扰信号的抵消信号 三、自干扰信道估计 由于自干扰信号受无线信道影响，如果能估计出自干扰信道冲激响应，就