帶內(nèi)全雙工無線通信模型及自干擾研究

秦學聰

摘要：隨著第四代移動通信（4G）進入商業(yè)化階段，面向2020年和未來的第五代移動通信（5G）已成為全球研究的熱點。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)作為未來移動通信發(fā)展的兩大驅(qū)動力，為5G提供了廣闊的應用前景。面對未來數(shù)據(jù)流量的千倍增長、千億的設備連接和多樣化的業(yè)務需求，5G系統(tǒng)設計不僅需要滿足更靈活的網(wǎng)絡部署和更高效的運營維護，還需要顯著提高頻譜效率、能源效率和成本效率。作為5G潛在的關鍵技術之一，帶內(nèi)全雙工（in-bandfull-duplex， IBFD）無線通信允許節(jié)點在同一頻段上同時進行發(fā)送和接收，與傳統(tǒng)雙工相比理論上最大可成倍提高頻譜利用率。然而，由于同頻同時接收信號的特點，嚴重的環(huán)路自干擾成為制約其發(fā)展的主要因素。該文將對全雙工系統(tǒng)自干擾消除技術進行研究，具體包括：（1）分析了IBFD無線全雙工通信的主要技術問題。介紹了IBFD無線通信系統(tǒng)的模型和三種通信模式，并提出了三類主流的自干擾消除方法在系統(tǒng)模型中的位置和作用。（2）結(jié)合現(xiàn)階段研究和應用熱點，提出了IBFD無線通信未來的發(fā)展趨勢和研究方向。

關鍵詞：帶內(nèi)全雙工;MAC協(xié)議;自干擾消除;無線通信

中圖分類號：TN92? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0254-03

無線通信可提供多樣化的信息服務，隨著移動數(shù)據(jù)量和用戶需求飛速的增加，可分配的無線頻譜資源日益緊張，移動數(shù)據(jù)業(yè)務的指數(shù)級增長與頻譜資源短缺之間存在外在矛盾，驅(qū)動著無線通信理論與技術的內(nèi)在變革，研究人員為此提出了許多提高頻譜利用率的新技術方案。其中，IBFD無線通信允許節(jié)點在同一頻段上同時進行發(fā)送和接收，與現(xiàn)有的半雙工（half duplex， HD）、時分雙工（time division duplex， TDD）和頻分雙工（frequency division duplex， FDD）相比，理論上最大可成倍提高頻譜利用率，近年來受到了廣泛的關注。

由于全雙工收發(fā)系統(tǒng)使用相同的時頻資源，設備本身的發(fā)射天線引起的近端自干擾（self-interference， SI）信號功率遠大于來自遠端發(fā)射天線的期望信號功率，不僅會造成接收機的飽和，還會導致系統(tǒng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換時無法正確解碼有用信號。自干擾問題不僅存在于全雙工系統(tǒng)中，也存在于半雙工系統(tǒng)中，發(fā)射機的頻譜泄漏和天線耦合會在接收機處產(chǎn)生強烈的自干擾，影響系統(tǒng)的整體性能。因此，自干擾信號消除（self-interference cancellation， SIC）已成為IBFD無線通信中首先需要解決的技術問題。

本文首先分析了IBFD無線通信主要的技術問題。基于IBFD無線通信系統(tǒng)模型，分析了三種通信模式，并介紹三類主流的自干擾消除方法在系統(tǒng)模型中的位置和作用。最后，結(jié)合當前的研究和應用熱點提出了對未來IBFD無線通信的研究及應用的展望。

1 IBFD無線通信問題

IBFD的一個雙跳傳輸鏈路如圖1所示，信源節(jié)點（S）通過中繼（R）與目的節(jié)點（D）進行通信。在實際的多用戶或多中繼系統(tǒng)中，該模型與無線資源管理后的情況相對應，并將頻譜資源分配給特定的基站，以在特定的中繼節(jié)點的幫助下為特定的用戶設備服務。信源節(jié)點和目的節(jié)點都是單天線節(jié)點且它們之間的直接通信較弱，所以擁有獨立收發(fā)天線的中繼加入系統(tǒng)用來幫助其他節(jié)點而自身不傳輸數(shù)據(jù)。上述信號模型的新穎性在于明確考慮了實際FD中繼器中不可避免的殘余自干擾。

該系統(tǒng)包括四個無線鏈路，分別是信源節(jié)點-中繼信道（SR），殘余環(huán)路干擾信道信道（LI），中繼-目的節(jié)點信道（RD）以及信源-目的節(jié)點信道（SD）。分別用?SR，?LI， ?RD和?SD表示。信道被建立為頻率平坦和準靜態(tài)模式。信源和中繼的歸一化發(fā)射功率分別由PS和PR表示，而且他們受到各自的限制：PS≤1且PR≤1。

在全雙工通信模式下，中繼節(jié)點接收天線在接收來自信源節(jié)點發(fā)送的有用信號的同時，也會接收來自自身節(jié)點發(fā)射天線發(fā)送（泄露）出去的信號，此信號稱為自干擾信號，也稱環(huán)路干擾信號。在無線傳輸過程中，源節(jié)點的有用信號衰減很大，中繼器接收到的有用信號遠小于其發(fā)射天線接收到的大功率自干擾信號，使得節(jié)點很難對有用信號進行解碼。因此，為了保證IBFD節(jié)點在同一頻段內(nèi)同時發(fā)送和接收無線信號，必須首先解決自干擾信號的問題。

2 三種通信模式

2.1 全雙工模式（FD）

中繼器在同一頻率上同時接收和轉(zhuǎn)發(fā)。因此，通信由于受到中繼傳輸?shù)街欣^接收的自干擾（或“環(huán)路干擾”）而降級。在i時刻，信源發(fā)送信號x[i]到中繼（?{|x[i]|2}= PS≤1 ?{.}是期望算子），這同時也被目的節(jié)點給收聽到，中繼收到信號r[i]并發(fā)送t[i]（ ?{|t[i]|2}= PR≤1）。因此，接收信號在中繼和目的節(jié)點中可分別表示為：

式（1）中期望的信號分量為?SRx[i]，中繼器可以采用對消算法（部分）消除?LIt[i]。通常這涉及到環(huán)路信道的估計和對重復干擾信號的消減。然而，在實際應用中，由于非理想的信道估計和信號處理結(jié)果，無法實現(xiàn)完全抑制。尤其是，中繼前端的動態(tài)變化范圍無法同時滿足有用信號和干擾信號，從而導致了失真噪聲的產(chǎn)生。無論采用何種緩解方案，我們都將殘余噪聲表示為[hLIti]。這樣，（1）式就變成了r[i]= ?SR x[i]+[hLIti]+nR[i]，并且?{|[ti]|2}= PR，[hLI]代表由于不完全抵消而產(chǎn)生的剩余環(huán)路干擾信道。因為每一個對消算法的實現(xiàn)都具有特定的剩余功率，所以將[|hLI|]2參數(shù)化可以使分析更加通用。當且僅當使用自然天線隔離而不使用數(shù)字取消時，我們才認為[hLIti]= ?LIt[i]。

2.2 半雙工模式（HD）

一個符號的端到端傳輸可以分布在兩個正交時隙上，以消除環(huán)路干擾。信源節(jié)點僅在偶數(shù)時隙發(fā)送信號x[2i]，中繼同在偶數(shù)時隙接收信號r[2i]并在奇數(shù)時隙傳輸信號t[2i+1]。因此，接收信號在中繼和目的節(jié)點中的表達式為：

2.3 直接傳輸模式（DT）

為了進行比較，保留了完全不使用中繼器的可能性。在這種情況下，信源發(fā)送信號x[i]，目的節(jié)點接收：

3 結(jié)束語

作為5G潛在的關鍵技術之一，IBFD無線通信突破了傳統(tǒng)雙工無線網(wǎng)絡設計的束縛，能夠最大限度地提升網(wǎng)絡和設備收發(fā)設計的自由度，理論上最大可成倍提高頻譜和資源利用率。由于全雙工收發(fā)系統(tǒng)使用相同的時頻資源，設備本身的發(fā)射天線引起的近端自干擾信號功率遠大于來自遠端發(fā)射天線的有用信號功率，會導致系統(tǒng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換時無法正確解碼信號。針對上述問題，本文從技術難題、三種通信模式兩方面做了較為翔實的闡述和總結(jié)。

被動自干擾消除主要就是天線消除，通過增加自干擾信號在天線間無線傳輸?shù)奈锢硭p量來達到目的。但不能僅僅依靠天線消除，模擬消除通過對發(fā)送端射頻信號的處理，模擬無線自干擾信道的沖擊響應并顛倒相位再到接受電路進行相加實現(xiàn)（部分）抵消。最后引入一個消除電路數(shù)字補償系數(shù)K，與模擬的反相位信號相乘，再到接收端與經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字基帶信號相加消除剩余自干擾信號。

具體的自干擾信號消除方法在此不做過多介紹，Rice、斯坦福大學所做的抵消實驗都取得了不錯的成效。如何整體優(yōu)化IBFD硬件電路、能否實現(xiàn)全/半雙工適時切換的混合技術是我們今后要研究的主要方向。

參考文獻：

[1] 孫彥景，左海維，李松.帶內(nèi)全雙工無線通信自干擾消除及MAC調(diào)度研究綜述[J].電子科技大學學報，2016，45（06）：873-887.

[2] Gollakota S，Katabi D.Zigzag decoding：combating hidden terminals in wireless networks[M]. In：Proceedings of the ACM SIGCOMM Conference on Data Communication，Seattle，2008：159-17.

[3] 陸超.全雙工無線通信系統(tǒng)自干擾消除技術的分類研究與應用[D].南京郵電大學，2017.

[4] 楊雨蒼.全雙工無線通信系統(tǒng)的干擾消除技術研究[D].北京郵電大學，2014.

[5] 孫凌云.全雙工無線通信系統(tǒng)的自干擾消除技術研究[D].廈門大學，2016.

[6] 吳荻.全雙工通信系統(tǒng)中自干擾信號處理關鍵技術研究[D].中國科學院大學，2016.

[7] 周榮.全雙工無線通信系統(tǒng)的數(shù)字自干擾消除方法研究[D].南京郵電大學，2016.

[8] RIIHONEN T， WERNERS， WICHMAN R. Hybrid full-duplex half-duplex relaying with transmit power adaptation[J].IEEE Transactions on Wireless Communications， 2011， 10（9）： 3074-3085.

[9] 潘雨龍.全雙工無線通信系統(tǒng)中的自干擾消除方法研究[D].北京郵電大學，2016.

[10] 郭巖.同時同頻全雙工OFDM無線通信系統(tǒng)自干擾抑制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2016.

[11] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學：信息科學，2014，44（05）：551-563.

[12] 李娜.單信道全雙工無線通信系統(tǒng)中數(shù)字自干擾消除方法研究[D].山東大學，2013.

【通聯(lián)編輯：代影】