帶內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。移動互聯網和物聯網作為未來移動通信發展的兩大驅動力，為5G提供了廣闊的應用前景。面對未來數據流量的千倍增長、千億的設備連接和多樣化的業務需求，5G系統設計不僅需要滿足更靈活的網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，帶內全雙工（in-bandfull-duplex， IBFD）無線通信允許節點在同一頻段上同時進行發送和接收，與傳統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，嚴重的環路自干擾成為制約其發展的主要因素。該文將對全雙工系統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模型中的位置和作用。（2）結合現階段研究和應用熱點，提出了IBFD無線通信未來的發展趨勢和研究方向。

關鍵詞：帶內全雙工;MAC協議;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，隨著移動數據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，移動數據業務的指數級增長與頻譜資源短缺之間存在外在矛盾，驅動著無線通信理論與技術的內在變革，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無線通信允許節點在同一頻段上同時進行發送和接收，與現有的半雙工（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。

由于全雙工收發系統使用相同的時頻資源，設備本身的發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，還會導致系統在模數轉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中，也存在于半雙工系統中，發射機的頻譜泄漏和天線耦合會在接收機處產生強烈的自干擾，影響系統的整體性能。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模型中的位置和作用。最后，結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，信源節點（S）通過中繼（R）與目的節點（D）進行通信。在實際的多用戶或多中繼系統中，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，以在特定的中繼節點的幫助下為特定的用戶設備服務。信源節點和目的節點都是單天線節點且它們之間的直接通信較弱，所以擁有獨立收發天線的中繼加入系統用來幫助其他節點而自身不傳輸數據。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。

該系統包括四個無線鏈路，分別是信源節點-中繼信道（SR），殘余環路干擾信道信道（LI），中繼-目的節點信道（RD）以及信源-目的節點信道（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模式。信源和中繼的歸一化發射功率分別由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，中繼節點接收天線在接收來自信源節點發送的有用信號的同時，也會接收來自自身節點發射天線發送（泄露）出去的信號，此信號稱為自干擾信號，也稱環路干擾信號。在無線傳輸過程中，源節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射天線接收到的大功率自干擾信號，使得節點很難對有用信號進行解碼。因此，為了保證IBFD節點在同一頻段內同時發送和接收無線信號，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發。因此，通信由于受到中繼傳輸到中繼接收的自干擾（或“環路干擾”）而降級。在i時刻，信源發送信號x[i]到中繼（?{|x[i]|2}= PS≤1 ?{.}是期望算子），這同時也被目的節點給收聽到，中繼收到信號r[i]并發送t[i]（ ?{|t[i]|2}= PR≤1）。因此，接收信號在中繼和目的節點中可分別表示為：

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果，無法實現完全抑制。尤其是，中繼前端的動態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生的剩余環路干擾信道。因為每一個對消算法的實現都具有特定的剩余功率，所以將[|hLI|]2參數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，以消除環路干擾。信源節點僅在偶數時隙發送信號x[2i]，中繼同在偶數時隙接收信號r[2i]并在奇數時隙傳輸信號t[2i+1]。因此，接收信號在中繼和目的節點中的表達式為：

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，信源發送信號x[i]，目的節點接收：

3 結束語

作為5G潛在的關鍵技術之一，IBFD無線通信突破了傳統雙工無線網絡設計的束縛，能夠最大限度地提升網絡和設備收發設計的自由度，理論上最大可成倍提高頻譜和資源利用率。由于全雙工收發系統使用相同的時頻資源，設備本身的發射天線引起的近端自干擾信號功率遠大于來自遠端發射天線的有用信號功率，會導致系統在模數轉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。

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的物理衰減量來達到目的。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（部分）抵消。最后引入一個消除電路數字補償系數K，與模擬的反相位信號相乘，再到接收端與經過ADC轉換的數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。如何整體優化IBFD硬件電路、能否實現全/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。

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