5G通信系統(tǒng)中同時(shí)同頻全雙工技術(shù)展望

劉陸軍 高良鵬 劉振鵬 李政澤 孫 淵/上海電機(jī)學(xué)院

5G通信系統(tǒng)中同時(shí)同頻全雙工技術(shù)展望

劉陸軍 高良鵬 劉振鵬 李政澤 孫 淵/上海電機(jī)學(xué)院

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)和現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的新型雙工技術(shù)存在很大的差別，要實(shí)現(xiàn)全雙工技術(shù)需要克服許多困難，收發(fā)機(jī)的自干擾問題就是其中最應(yīng)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(shù)字干擾消除，其綜合性能已經(jīng)基本能滿足實(shí)驗(yàn)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(nèi)商用進(jìn)程的飛速發(fā)展，5G的研究成為了各國競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。5G的定位是頻譜利用更高，信息處理更快，數(shù)據(jù)的吞吐量更大的無線網(wǎng)絡(luò)，它會(huì)改變我們的通信方式與現(xiàn)在相比會(huì)大大降低時(shí)延和卡頓對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)通信的影響。它的發(fā)展方向?qū)⒁浴耙匀藶楸尽睘橹行模谝苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域進(jìn)一步的發(fā)展和創(chuàng)新。

1.同時(shí)同頻全雙工的工作原理

采用CCFD的無線通信系統(tǒng)，首先是清楚發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的節(jié)點(diǎn)對(duì)于有用信號(hào)都是干擾源,所以這樣得要求接收點(diǎn)在工作的同時(shí)還得可以消除干擾，并且能夠抑制干擾，大大降低對(duì)有用信號(hào)的干擾。因此CCFD的關(guān)鍵技術(shù)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(jià)格的因素并沒有推廣商用[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(shí)現(xiàn)。

1.1 天線干擾消除

兩根發(fā)射天線和一根接收天線就是目前天線消除原理的設(shè)備。在滿足發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)的波長是兩根天線距離的半波長的奇數(shù)倍，這樣通過兩根天線的信號(hào)會(huì)以相反的相位到達(dá)天線的接收點(diǎn)，這樣會(huì)使干擾信號(hào)自行干涉相消，通過這樣接收天線收到的自干擾信號(hào)就會(huì)大大減弱，再利用噪聲信號(hào)消除電路和數(shù)字域消除技術(shù)，就可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1.2 射頻干擾消除

射頻干擾消除的重點(diǎn)是調(diào)節(jié)干擾參考信號(hào)的相位和幅度，從而達(dá)到精確干擾消除的目的，而這樣干擾消除的重點(diǎn)是自適應(yīng)調(diào)節(jié)。MIMO技術(shù)可以與射頻干擾消除技術(shù)同時(shí)使用，然而在天線多的情況下的高階MIMO難以實(shí)現(xiàn)[2]。

1.3 數(shù)字干擾消除

在同頻全雙工系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字自干擾時(shí)，自干擾的信息為已知，因此相比傳統(tǒng)的數(shù)字對(duì)消省去先解出不期望的發(fā)射機(jī)信息。要對(duì)數(shù)字干擾消除進(jìn)行清晰的了解，可以建立一個(gè) ADC 量化進(jìn)行數(shù)字通過對(duì)消實(shí)現(xiàn)同頻全雙工的M-QAM 的系統(tǒng)模型。

2.同時(shí)同頻全雙工在5G中的展望

2.1 同時(shí)同頻全雙工在5G中的挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)需要具備更高的傳速效率、更高的數(shù)據(jù)吞吐量和更加迅速的反應(yīng)時(shí)間；為了實(shí)現(xiàn)5G通信的需求應(yīng)運(yùn)而生同時(shí)同頻全雙工技術(shù)，此技術(shù)的應(yīng)用能夠在頻譜利用上滿足5G通信的基本需求，所以同時(shí)同頻全雙工技術(shù)備受國內(nèi)外重視。

各國研究機(jī)構(gòu)都在加緊對(duì)5G從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化開始研究并實(shí)施一系列技術(shù)的融合，在早期的5G技術(shù)只滿足在實(shí)驗(yàn)室對(duì)5G通信的基本實(shí)現(xiàn)不能夠大規(guī)模的推廣商用，重要的原因之一就是成本太高，能耗也是個(gè)避不開的問題，所以用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)一化的平臺(tái)創(chuàng)立隨之而生[3]。

2.2 新平臺(tái)的搭建優(yōu)化全雙工技術(shù)在5G通信的效率

資策會(huì)多會(huì)在用可編程閘矩陣硬件平臺(tái)配合HDL進(jìn)行直接現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)平臺(tái)。這樣就要求硬件工程師了解繁瑣復(fù)雜的數(shù)位硬體設(shè)計(jì)用于開發(fā)FPGA，在此基礎(chǔ)上還必須對(duì)合成電路以及后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化等消耗精力、物力[4]。同時(shí)還需要軟件工程師在韌體和操作界面設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行投入時(shí)間和精力。在這一個(gè)系統(tǒng)就需要花費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，根本不適宜大規(guī)模商業(yè)推廣。

NI SDR平臺(tái)的搭建就會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，在滿足5G通信的基礎(chǔ)上必須得保證所搭建的平臺(tái)有足夠的可擴(kuò)容可修改性。在滿足對(duì)5G通信的速度和效率的同時(shí)達(dá)到全雙工對(duì)射頻敏感度要求高等許多條件，策委會(huì)在參考了很多先進(jìn)的模型通信系統(tǒng)后決定使用如下圖1.所示的NI SDR平臺(tái)。

圖1 NI SDR平臺(tái)

3.5 G終端應(yīng)用場(chǎng)景

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大力推進(jìn)，如今的通信模式發(fā)生了很大的改變，甚至可以用日新月異來形容。在當(dāng)今的社會(huì)可以說沒有信息的流動(dòng)就不是個(gè)健全的社會(huì)，真正可以說足不出戶就可以知道天下事看到每天全球發(fā)生的事，在人與人之間的每天發(fā)生的事情都可以全天侯全場(chǎng)景的在網(wǎng)絡(luò)上共享。同時(shí)5G的推進(jìn)就會(huì)在如今的基礎(chǔ)上大大變革現(xiàn)在的通信方式以及網(wǎng)絡(luò)擁堵以及時(shí)延等很多問題，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域5G會(huì)得到很大很廣的應(yīng)用，見圖2所示。

3.1 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

在如今的時(shí)代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在生活中的改變可謂是方方面面，我們的移動(dòng)端也是隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生著代數(shù)的更替，在以前的2G或者說3G乃至4G都會(huì)是一次又一次的革命和創(chuàng)新，在未來的5G更會(huì)是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)生變化，未來的人與人之間的視頻通信會(huì)達(dá)到零延遲，在游戲娛樂方面更會(huì)使虛擬的東西更加真實(shí)化，在數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理方面會(huì)更加迅速和更加快捷。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)可是在最近的幾年發(fā)展迅速，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生可謂是很大程度上更加優(yōu)化了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的領(lǐng)域，在個(gè)人業(yè)務(wù)和公司集團(tuán)等業(yè)務(wù)都有很大的提升，在個(gè)人方面5G通信可以更加優(yōu)化目前存在的智能家居，以及個(gè)人身體健康監(jiān)測(cè)等等；在公司等業(yè)務(wù)方面，物聯(lián)網(wǎng)可以大大增強(qiáng)無線信號(hào)的覆蓋范圍，而且由于5G的存在會(huì)大大優(yōu)化目前物聯(lián)網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性。同時(shí)5G通信系統(tǒng)的存在會(huì)更加適應(yīng)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)大型化的需求。

圖2 5G應(yīng)用場(chǎng)景

4.結(jié)語

本文主要介紹了對(duì)5G通信系統(tǒng)中同時(shí)同頻全雙工的干擾消除技術(shù)的展望，同時(shí)同頻全雙工是近年來提出的新的通信技術(shù)之一，由于同時(shí)同頻全雙工在技術(shù)上對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)，阻礙其應(yīng)用發(fā)展的最大的一個(gè)技術(shù)就是自干擾的消除，伴隨著研究的發(fā)展一些自干擾的消除方法也隨著產(chǎn)生，天線干擾消除、射頻干擾消除、數(shù)字干擾消除，成為目前的主流方法，在現(xiàn)有的干擾消除的進(jìn)度來說，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)同頻全雙工通信。

[1]卞宏梁,曹磊,孫震強(qiáng).同時(shí)同頻全雙工技術(shù)研究[J],電信技術(shù),2013,12.

[2]秦爽.LTE小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)仿真研究[D].浙江工業(yè)大學(xué),2014.

[3]劉浩,沈竹,劉永飄.無線直放站的干擾自適應(yīng)消除技術(shù)[J].電子與信息學(xué)報(bào).2009,1.

[4]百度百科[EB],FDD,TDD,CDMA,同時(shí)同頻全雙工.

劉陸軍：（1993.10）男，上海電機(jī)學(xué)院，本科生，機(jī)械電子工程專業(yè)。

高良鵬：（1996.3）男，上海電機(jī)學(xué)院，本科生，機(jī)械電子工程專業(yè)。

劉振鵬：（1996.9）男，上海電機(jī)學(xué)院，本科生，機(jī)械電子工程專業(yè)。

李政澤：（1996.5）男，上海電機(jī)學(xué)院，本科生，機(jī)械電子工程專業(yè)。

孫淵：(1969.8）女，上海電機(jī)學(xué)院，教授，博士，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。