一種全雙工系統中非線性數字自干擾消除算法

摘 要：單信道全雙工無線通信在同一頻帶同時發送和接收信號，由于期望信號和自干擾信號的功率相差較大，系統的非線性成為了制約自干擾抑制能力的主要因素之一。本文利用非線性模型對全雙工系統進行描述，采用非線性濾波器對非線性失真進行處理，提升自干擾消除的能力。

關鍵詞：全雙工；無線通信；信號

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.118

1 引言

在全雙工系統中，由于系統存在的不完美性，特別是射頻電路的缺陷，完全消除自干擾是不可能的。為了了解系統的局限性，文獻[1]中考慮了全雙工傳輸中存在的這種局限性，探討了無線電電路缺陷對于系統性能的影響和系統的瓶頸。文獻[2]的研究結果表明，由于期望信號和自干擾信號的功率相差較大，系統的非線性成為了制約自干擾抑制能力的主要因素之一。現有的大多數自干擾消除方案都忽略了非線性效應，所采用的LMS或RLS等線性自適應濾波器，都是基于以下假設：在整個全雙工收發系統，包括放大器、混頻器、振蕩器、模數轉換器、空間耦合信道，都是完全線性的，并且可以用自適應濾波器模擬全雙工系統的信號路徑[3]。一般情況下，系統的非線性將帶來發射和接收信號的非線性失真。因此，當非線性失真超過一定程度時，傳統的濾波器就不能達到很好的自干擾消除性能。本文將整個全雙工系統看做一個非線性系統，并通過Wiener模型對其非線性進行描述，然后采用非線性模型的濾波器對全雙工非線性系統的非線性及線性特征進行學習和模擬，并利用自適應算法對濾波器系數進行實時更新，有效的解決了全雙工系統中非線性失真問題，提升自干擾消除的能力。

2 系統模型

在CCFD單入單出（single-input single-output，SISO）無線通信系統中，以本地收發信機為例，數字發送信號經過數模轉換器DAC等射頻處理后，變成射頻發送信號，并通過發射天線進行發射。在接收端，由于發射機和接收機同時、同頻進行工作，接收天線接收到的信號不僅包括來自遠端設備的期望信號，還包括來自本地發射機的自干擾信號。自干擾信號可以在接收鏈路的不同模塊進行消除，本論文主要研究數字域的自干擾消除。

3 非線性數字自干擾消除算法

如前文分析，我們將整個全雙工系統看做一個非線性系統，并通過Wiener模型對其非線性進行描述，模型的LTI部分我們采用FIR濾波器來實現，模型的無記憶非線性部分采用Saleh模型。在整個系統中功放作為非線性器件，而無線信道和接收端的各個器件作為線性系統進行描述。然后采用記憶深度為3的9階記憶多項式非線性模型的濾波器對全雙工非線性系統的非線性及線性特征進行學習和模擬，并利用自適應算法對濾波器系數進行實時更新。

設非線性模型濾波器的輸出為：z（n）=wHx（n）

設全雙工非線性系統的非線性函數為L（·），則經非線性系統后的輸出信號為：y（n）=L（x（n））

此時均方誤差或者代價函數為：

J（w）=E（|e（n）|2）

=E（s（n）-wHx（n））（s（n）-wHx（n））*

=E（|x（n）|2）-P2Hw-wHP2+wHR2w

自相關矩陣為：R=E（x（n）xH（n））

互相關矩陣為：p=E（x（n）s（n）*）

=E（x（n）（y（n）+v（n）+d（n））*）

其中，d（n）表示自干擾信號，v（n）表示噪聲，一般我們用高斯白噪聲對其進行描述。

維納解：w=R2-1P2

根據以上公式分析，當噪聲和有用信號均與發射信號不相關時，噪聲和有用信號影響代價函數的極值，不影響收斂后的維納解，因此直接結構能夠克服系統加性噪聲和干擾的影響。

我們利用LMS算法和利用直接結構非線性消除算法的性能對比。在自干擾強度較小時，影響消除能力的主要是由于INR較小而導致的參數估計誤差，所以兩種算法的性能相差不大。隨著自干擾不斷增大，對參數的估計準確性逐漸提高，此時影響消除能力的主要是信號的非線性特性。根據仿真實驗結果，LMS算法在INR為50dB時最多達到約17.8dB的消除能力。由于LMS算法中自適應濾波器是線性的，無法很好的處理非線性信號，此時信號的非線性特性成為約束算法性能的主要因素。而利用直接結構中的記憶多項式學習模型，能夠較好對自干擾信號的非線性特性進行識別和學習，在INR為50dB時消除能力可達到24.4dB，相同條件下比LMS算法高6.6dB左右，且隨著INR的繼續增大，算法性能仍有提升的空間。

4 小結

本文針對全雙工系統中存在的非線性問題，將系統建模成Wiener模型，對其非線性進行描述，并提出一種基于該非線性失真的自干擾消除的算法，采用非線性濾波器對全雙工非線性系統中的自干擾進行消除，進一步提升了自干擾抑制的能力。

參考文獻：

[1]B.P.Day，A.R.Margetts，D.W.Bliss，and P.Schniter，“Full-Duplex MIMO Relaying： Achievable Rates Under Limited Dynamic Range，” Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， vol.30， no.8， pp.1541-1553，September，2012.

[2]D.W.Bliss，T.M.Hancock，and P.Schniter， “Hardware phenomenological effects on cochannel full-duplex MIMO relay performance，” Signals， Systems and Computers （ASILOMAR）， 2012 Conference Record of the Forty Sixth Asilomar Conference on， pp.34，39， 4-7 Nov. 2012.

[3]A.Sahai，G.Patel，and A.Sabharwal，“Asynchronous full-duplex wireless，”Communication Systems and Networks （COMSNETS）， 2012 Fourth International Conference on ， pp.1-9，Jan.2012.

作者簡介：孫凌云（1990-），女，河南焦作人，碩士研究生，研究方向：全雙工無線通信干擾消除。