同時同頻全雙工場景中的射頻域自適應(yīng)干擾抵消

王 俊 趙宏志 卿朝進② 唐友喜

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同時同頻全雙工場景中的射頻域自適應(yīng)干擾抵消

王 俊①趙宏志①卿朝進①②唐友喜*①

①(電子科技大學通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室 成都 611731)②(西華大學電氣信息學院 成都 610039)

考慮同時同頻全雙工無線收發(fā)信機的射頻域自干擾抵消技術(shù)，現(xiàn)有研究多集中于利用手動方式調(diào)整自干擾估計信號的參數(shù)。針對這一問題，該文提出一種射頻域的自適應(yīng)干擾抵消算法。以正交、同相參考支路構(gòu)成的自干擾估計結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用梯度下降法搜索支路的最優(yōu)權(quán)矢量，估計出自干擾信號，實現(xiàn)了射頻域的自適應(yīng)干擾抵消，并且給出了該算法的收斂性分析。分析與仿真表明，當?shù)介L越大或統(tǒng)計時間越短時，算法的收斂速度越小。在100倍符號周期的統(tǒng)計時間，0.3的歸一化步長，80 dB干信比以及0 dB信噪比的仿真條件下，該文提出的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法可以實現(xiàn)約100 dB的自干擾抑制。

無線通信；同時同頻全雙工；射頻域干擾抵消；收斂性

1 引言

在同時同頻全雙工傳輸模式的收發(fā)信機中，接收信號受到了來自本地發(fā)送信號的大功率干擾。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)的動態(tài)范圍有限，在進入ADC之前接收信號干信比必須降低到一定水平[6]。因此，在同時同頻全雙工系統(tǒng)中，射頻域的自干擾抵消技術(shù)研究尤為重要。

在已有的同時同頻全雙工射頻域自干擾抵消技術(shù)中，文獻[7, 8]利用本地發(fā)送射頻信號作為自干擾信號的參考，通過改變參考信號的相位和幅度，分別在2.4 GHz頻段、530 MHz頻段驗證了射頻域自干擾抵消的可行性；文獻[9, 10]則采用由正交、同相兩條支路構(gòu)成的自干擾信號估計結(jié)構(gòu)，通過手動方式調(diào)整兩支路的衰減器增益，實現(xiàn)了在2.4 GHz頻段的射頻域自干擾抵消方案驗證。雖然文獻[7~10]驗證了射頻域自干擾抵消方案的可行性，但是它們均未給出參考信號參數(shù)調(diào)整的具體方法，無法直接應(yīng)用于實際的通信系統(tǒng)。

針對這個問題，本文以正交、同相參考支路構(gòu)成的自干擾估計結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，首先對接收信號強度與兩支路權(quán)矢量之間的關(guān)系進行了理論分析；進而提出了一種射頻域的自適應(yīng)干擾抵消算法；然后分析了該算法的收斂性，并討論了干信比、統(tǒng)計時間、迭代步長等參數(shù)對收斂速度的影響；最后進行了仿真驗證。

本文結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)給出同時同頻全雙工系統(tǒng)模型；第3節(jié)詳細闡述射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法；第4節(jié)分析該算法的收斂性；仿真結(jié)果在第5節(jié)中給出；第6節(jié)為本文的結(jié)論。

2 系統(tǒng)模型

本文采用的同時同頻全雙工系統(tǒng)模型如圖1所示[9]，系統(tǒng)包括近端與遠端兩個收發(fā)信機。為了便于分析，本文以近端收發(fā)信機為例，闡述其射頻域自干擾抵消算法。為便于標識，用下標表示近端發(fā)射信號參數(shù)，下標表示遠端發(fā)射信號參數(shù)。

2.1發(fā)射機模型

其中

2.2 信道模型

2.3 接收機模型

干擾抵消后的信號經(jīng)過下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、匹配濾波后，解調(diào)得到遠端發(fā)送比特流的估計值。

3 干擾抵消算法

3.1 干擾抵消結(jié)構(gòu)

根據(jù)三角函數(shù)的和差化積恒等式，式(5)中的近端自干擾信號項可寫為

因此，射頻域近端自干擾信號的估計可以轉(zhuǎn)化為參數(shù), 的估計。不妨定義, 分別為參數(shù), 的估計值。根據(jù)式(14)，本文采用的射頻域自適應(yīng)干擾抵消結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 基于梯度下降法的自適應(yīng)干擾抵消

其中

綜上所述，在同時同頻全雙工場景中，在圖2所示的自適應(yīng)干擾抵消結(jié)構(gòu)中，射頻域自適應(yīng)干擾抵消步驟如下：

其中

并控制修改同相、正交兩支路的增益；

步驟4 重復步驟2。

4 性能分析

4.1收斂性分析

則第步迭代的誤差矢量與初始誤差矢量的關(guān)系為

綜上所述，當式(32)的條件滿足時，本文的射頻域自干擾抵消算法是收斂的。

4.2 收斂速度分析

5 數(shù)值與仿真結(jié)果

表1 數(shù)值與仿真分析的參數(shù)設(shè)置

需要指出的是，由于文獻[7~10]只是對射頻干擾抑制進行可行性驗證，并且僅給出了在特定實驗環(huán)境中干擾抑制的實際測量結(jié)果，該方案很難重建以及評估性能。因此，本文沒有與上述文獻中的方案進行仿真對比。

綜上所述，考慮同時同頻全雙工傳輸場景，針對加性白高斯噪聲無線傳播信道，在加性白高斯噪聲無線自干擾信道中，本文提出的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法能夠?qū)崿F(xiàn)對干擾信號的自適應(yīng)抵消。結(jié)合式(35)可知，當?shù)介L越大或統(tǒng)計時間越短時，算法的收斂速度越快。從仿真結(jié)果中容易看出：在2.4 GHz載頻、5 MHz帶寬、BPSK調(diào)制、0 dB信噪比，100倍符號周期的統(tǒng)計時間，0.3的歸一化步長以及80 dB干信比的仿真條件下，同時同頻全雙工場景中的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法，可以實現(xiàn)約100 dB的自干擾抵消效果。

6 結(jié)束語

本文考慮同時同頻全雙工傳輸場景，針對加性白高斯噪聲無線傳播信道，在加性白高斯噪聲無線自干擾信道中，提出了一種射頻域的自適應(yīng)干擾抵消算法；并分析了該方法的收斂性以及收斂速度。分析和仿真表明，本文提出的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法能夠?qū)崿F(xiàn)同時同頻全雙工場景中的自干擾抵消，并且當?shù)介L越大或單次統(tǒng)計時間越短時，算法的收斂速度越快。本文的研究成果為同時同頻全雙工技術(shù)的實現(xiàn)提供了理論支持。

圖3 不同單次迭代統(tǒng)計時間下，干擾抑制比隨迭代時間的變化

圖4 不同歸一化迭代步長下，干擾抑制比隨迭代時間的變化

圖5 不同干信比下，干擾抑制比隨迭代時間的變化

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王 俊： 女，1988年生，博士生，研究方向為無線通信信號處理、通信抗干擾技術(shù)等.

趙宏志： 男，1978年生，副教授，研究方向為無線通信信號處理、通信抗干擾技術(shù)、并行化通信信號處理等.

卿朝進： 男，1978年生，副教授，研究方向為無線與移動通信中的信號處理、分布式天線系統(tǒng)、時頻同步、壓縮感知等.

唐友喜： 男，1964年生，教授，博士生導師，研究方向為無線通信中的信號處理、傳感器網(wǎng)絡(luò)等.

Adaptive Self-interference Cancellation at RF Domain in Co-frequency Co-time Full Duplex Systems

Wang Jun①Zhao Hong-zhi①Q(mào)ing Chao-jin①②Tang You-xi①

①(,,611731,)②(,,610039,)

In the context of the RF domain self-interference cancellation algorithms in the co-frequency and co-time full duplex system, the current research focuses mainly on the manually adjusting of self-interference parameters. To solve this problem, a RF domain adaptive self-interference cancellation is proposed. On the basis of the self-interference estimation construction within an in-phase and quadrature reference signal channels, the self-interference is reconstructed by searching the optimal weight vector with the method of gradient descending and cancelled at last. In addition, the convergence of the proposed algorithm is analyzed. The analysis and simulation show that the convergent speed is faster when the iterative step size is larger and the statistical time is shorter. The self-interference can decrease almost 100 dB adopting the RF domain adaptive self-interference cancellation algorithm proposed in this paper, when the statistical time is 100 symbol periods, the normalized iterative step is 0.3, the signal to noise ratio is 0 dB, and the interference to signal ratio is 80 dB.

Wireless communication; Co-frequency and Co-time Full Duplex (CCFD); RF self-interference cancellation; Convergence

TN92

A

1009-5896(2014)06-1435-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01187

唐友喜 tangyx@uestc. Edu. cn

2013-08-06收到，2013-12-16改回

國家自然科學基金(U1035002/L05, 61001087, 61101034, 61271164)，國家科技重大專項(2011ZX03003010-003, 2014ZX03003001-002)和四川省教育廳重點項目(12ZA161)資助課題