一種基于正交信號的全雙工雙向中繼方法

宋新海,苗 壯

(西安外事學院 工學院，陜西 西安 710077)

由于沒有線纜的束縛，無線通信適應了人們日益增長的移動應用需求，成為現代電信行業發展最快的領域。然而，無線通信也同時帶來令人頭疼的信道衰落問題，于是可以有效對抗傳輸衰落的中繼協作技術[1]應運而生。

傳統的中繼協作技術雖然具有提高傳輸速率、降低傳輸差錯和擴大傳輸范圍等諸多益處，但其“接收-轉發”的半雙工模式也使得頻譜資源無法得到充分利用[2-3]。為此，Rankov等人提出了雙向中繼(Two-Way Relay)的概念及機制[4]，采用兩用戶節點同時向中繼節點發送信號，中繼節點再把接收到的混合信號廣播給兩用戶節點的方式，實現了在同一個物理信道中同時支持兩個單向通信。該機制巧妙利用任一用戶節點在收到中繼節點轉發的混合信號中減去自己信號，即可解調出另一用戶節點的信息，從而提升了頻譜效率。不過，該機制仍工作于半雙工模式，并非真正的同時同頻全雙工(Co-time Co-frequency Full Duplex,簡稱 CCFD)中繼技術。CCFD通信曾在很長時間內在工程上被認為是禁忌技術，因為巨大的自干擾問題難以解決。但到了5G時代，源于頻譜資源與帶寬需求之間愈加尖銳的矛盾，同時得益于信息處理(尤其是自干擾消除)技術的快速進步，CCFD成為5G系統的關鍵技術之一[5]。相應地，與CCFD相結合的全雙工中繼(CCFD Relay)就成為中繼協作技術的演進方向[6]。

本文在傳統雙向中繼技術的基礎上，利用正交信號內積為零的特性，設計自干擾隔離策略，提出一種簡易的全雙工雙向中繼(CCFD Two-Way Relay, Full Two-Way Relay, 簡稱FTWR)方法，特別適用于因物聯網的到來而大量涌現的小尺寸節點實現中繼協作通信。

1 系統模型與自干擾消除

如圖1所示，本文面向三節點兩跳這一典型系統模型展開研究，其中，兩個用戶節點A和B通過中繼節點R實現信息交換，要求三個節點都工作于同時同頻全雙工模式。

圖1 系統模型

要在該模型上進行全雙工雙向中繼通信，必然產生強烈的自干擾，關鍵問題是采取怎樣的自干擾消除措施。傳統上，自干擾消除技術主要加諸于傳輸域、模擬域和數字域(或三者的組合)[6]。傳輸域一般采用被動隔離技術，如在收發天線之間安置屏蔽材料以增加兩者之間的電磁隔離度，或利用極化電磁波形成收發信號之間的正交，或采用波束賦形技術使得接收天線工作于發射信號空間的零點；傳輸域也可采用主動消除技術，如利用主動參考信號進行干擾對消，不過這種方法需要增加一根接收天線用于從發射機提取參考信號。模擬域總是采用主動消除技術，根據模擬參考信號提取位置的不同可細分為射頻模擬和基帶模擬自干擾消除，一般是設計出單抽頭或多抽頭的自干擾消除器來消除自干擾中的直達波。與模擬域類似，數字域也采用主動消除技術，一般先利用數字信道估計器進行信道干擾參數估計，再利用數字濾波器重建干擾信號，主要用來消除自干擾中的多徑到達波。

當前，蜂窩網、IEEE網絡及物聯網正在走向融合，促使超密集網絡應運而生，并催生了小尺寸設備大量涌現。顯然，上述傳統自干擾消除方法要么需要在收發天線之間安置屏蔽介質，要么需要添加復雜的信號處理模塊，必然對通信設備在體積和功耗等方面提出較高要求。因此，對于體積、功耗以及成本受限的小尺寸設備，需要尋找新的自干擾消除技術以實現全雙工協作通信。在尋求低復雜度和高性能中繼協作技術的研究中，一種基于正交振幅調制(Quadrature Amplitude Modulation,簡稱 QAM)信號的自干擾隔離方法引起研究人員的注意并得到進一步研究[7-8]。該方法將 QAM 信號的兩個分量分配給不同用戶，利用其內積為零的特性，可在不擴展系統帶寬的條件下完成協作通信。該方法具有成本低、功耗小、實現簡單及操控靈活等諸多優點，但可惜通信節點仍工作于多址接入信道(即非完全意義的全雙工)模式。

經過深入研究，發現該技術可引入本文的系統模型，用于解決全雙工雙向中繼通信中的自干擾問題。傳統上，調制星座僅供一個用戶所用，受上述技術思想的啟發，現將調制星座的兩個自由度分別配置給中繼與兩個用戶，即可實現中繼與用戶之間的干擾隔離。這里，雖然兩個用戶之間共用同一個自由度，但在處理來自中繼的混合信號時，可像傳統雙向中繼那樣，通過減去自身所發送的信號來消除對另一用戶的干擾。顯然，這樣的做法只是對調制星座的一個靈活運用，無需像傳統方法那樣在天線間安置隔離介質或在收發器中添加復雜的功能模塊，故十分適合小尺寸節點的全雙工通信需要。另外，本方法不但可單獨使用，也可與傳統自干擾消除技術聯合使用，作為有益補充，減少其殘留自干擾，從而進一步提升中繼系統的整體傳輸性能。

2 調制星座分配及對齊

根據對轉發信號處理的不同，中繼方式可細分為放大轉發(Amplify and Forward,簡稱AF)和解碼轉發(Decode and Forward,簡稱DF)，本文選用DF中繼。調制星座的靈活應用是本方法實現自干擾消除的關鍵，其核心問題是如何利用正交信號內積為零的特性，設計出用戶節點和中繼節點對QAM星座的配置與使用方式。

圖2 調制星座映射

3 信息幀格式及傳輸協議

信息幀如圖3所示，其中每一個小方框代表一個符號，假定每幀有N個符號，調制方式采用二進制(多進制類似)。另外，假定在整個傳輸過程中，兩用戶A與B之間無直傳鏈路。

圖3 信息幀結構

假定所有信道狀態服從相互獨立的平坦Rayleigh慢衰落，所有信道噪聲為加性高斯白噪聲，并且所有的信道同步已經建立。基于前述的技術思想和星座分配方式，與信息幀相對應的傳輸協議設計如下：

(1)首先，獲得用戶節點A和B到中繼節點R的信道系數。

可通過導頻信號測得戶節點A和B到中繼節點N的信道系數hAR,hRA,hBR,hRB。由于系統工作于同時同頻模式，故信道具有互易性，可假定hRA=hAR和hRB=hBR，為行文簡便，統一用hAR和hBR表示。另外，因信道已經建模為慢衰落，故在整個信息幀內信道系數hAR和hBR保持不變。

(2)在每幀的第1個符號，用戶節點A和B同時向中繼節點N發送信息。

(1)

由雙向中繼協議可知，中繼節點R處的接收信號rR(t1)為

(2)

式中：t1為符號索引，bA[1],bB[1]為兩個用戶節點發送的信息比特，sA(t1),sB(t1)為如圖2星座點所示的基準發送信號，R(·)表示求取實部，ηR(t1)為中繼節點R處的信道噪聲。

(3)

式中：sign(·)為取符號函數，γth為某一能量門限。需要說明的是，此處對混合信號采用三進制解調，本質上是一種重疊編碼，將在用戶節點A和B解調時起到去噪轉發映射的作用，如式(8)和式(9)所示。

(4)

式中：I(·)為求取虛部，ηA(tn),ηB(tn)為兩個用戶節點A和B處的信道噪聲。

由于信道系數的影響，在用戶節點處已經失去正交性，勢必造成強自干擾，所以無法直接解調。但經深入研究，發現在本方案下，用戶節點處的收發信號向量雖然已非正交，但在相位上卻具有對稱性，可利用其對稱性實現解調。

圖4 利用對稱性解調

(5)

(6)

獲得解調值ρrA(tn)后，可按如下判決得到混合信號的信息比特：

(7)

然后，減去自己的信息，即可檢測到用戶節點B在n-1時刻發送的信息比特為

(8)

式中:～為模2后再取反運算，例如～|1+1|=1和～|0-1|=0。

在用戶節點B處進行平行處理，可得用戶節點A發送的信息比特為

(9)

(c)兩個用戶節點A和B按公式(2)發送第n比特信息，向中繼節點的接收信號為

(10)

4 結 語