帶內全雙工水聲通信系統自干擾抵消技術研究框架與思路*

趙云江

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

作為6G 潛在關鍵技術中增強型無線空口技術的分支——帶內全雙工（IBFD,In-Band Full-Duplex）技術[1-2]，因其頻率效率提升顯著、傳輸資源可高靈活度配置等優勢，受到了廣泛的關注。相較于無線電通信系統，水聲通信（UWAC,UnderWater Acoustic Communication）系統在面臨著更惡劣的信道條件的同時[3]，頻譜資源也更加緊缺，僅為幾kHz 至幾十kHz。如何在UWAC 系統帶寬嚴重受限的情況下進一步提高水聲通信系統的頻譜效率，是目前水聲通信技術研究領域面臨的核心問題之一[4]。

IBFD 技術為該問題帶來了新的解決途徑，在上述背景下具有極高的研究意義與應用價值，因此IBFD-UWAC 技術[5]逐漸成為目前水聲通信領域的研究熱點之一。除提升頻率效率外，IBFD-UWAC 還具有諸多優勢，如可降低節點間信息交互所需時間、按需靈活調整節點間通信系統雙工體制、在主動發射干擾下可增加節點信息安全性等。

目前，針對IBFD 技術的研究主要集中于無線電通信領域，與IBFD 無線電通信系統類似，IBFD-UWAC 系統需要解決的最主要問題即是本地強自干擾抵消（SIC,Self-Interference Cancellation）。諸多研究內容與成果以及無線電與水聲通信系統分別在實現IBFD 通信的過程中所面對問題的差異分析，參見文獻[6] 和[7]。本文基于現有研究及分析結果，提出了一種適用于IBFD-UWAC系統的理論研究框架，同時對研究過程中發現的新問題展開討論，并對未來研究的方向進行了展望。

1 IBFD-UWAC研究現狀簡述與實驗結果分析

目前，尚無公開的、完整的可實現從SIC（多域聯合）到期望信號正確解調（低誤碼率）整個流程的可雙端同時支持的帶內全雙工水聲通信系統公里級外場實驗驗證結果。同時，研究成果多以單域抵消后（或以單獨模擬域/ 數字域配合空間干擾抑制）完成解調（較高誤碼率）或以抵消量的多少作為技術先進性的評價準則。但需要明晰的是，各域間抵消性能將產生類似“制約”的影響，如空間干擾抑制過強，則模擬及數字域干擾抵消性能將下降，類似總結參見文獻[8]，其中對IBFD 無線電通信系統中空間自干擾抑制、模擬域SIC、數字域SIC 這三種方案不同組合下的性能進行了對比與分析。

此外，在各類研究中，若以最終實現IBFD-UWAC 系統為目標（獨立運行設備），則目前的自干擾傳播信道假設與實際存在一定差異，文獻[9]至[11]都獲得了較為復雜的自干擾信道結果，已脫離“稀疏”信道范疇，同時實際應用環境中持續時變的自干擾信道[12]也給SIC 過程帶來了困難。下面通過具有外場實驗的部分文獻及實測自干擾數據對自干擾傳播信道進行進一步說明，并以此為基礎對適用于SIC 過程的自適應濾波器技術進行闡述。

1.1 自干擾傳播信道特性分析

文獻[13]對IBFD-UWAC 系統的自干擾信號傳播信道進行了測量，采用獨立發射換能器與接收換能器，實驗結果表明，在一定條件下自干擾信號傳播信道可超過1 s，同時當傳播時間達到0.5 s 時，自干擾強度僅下降不到60 dB。文獻[14] 利用聲障板、發射換能器以及兩個水聽器通過對照試驗得出了重要結論，即近端接收端接收到的絕大部分自干擾屬于直達自干擾（亦稱環路自干擾），直達部分信道較為穩定，該部分干擾可以通過聲障板進行抑制，但隨時間變化的由界面反射引起的多徑自干擾仍然需要考慮如何進行信道估計與抵消。

文獻[11] 利用IBFD-UWAC 工程樣機對環路自干擾及多徑自干擾進行了測量，并基于工程樣機1:1 比例有限元仿真模型對環路自干擾傳播過程進行了仿真，仿真及實驗結果證明了在文中工程樣機上發射和接收端布置方法下，環路自干擾將受到IBFD-UWAC 電子艙體影響，環路自干擾信道變得相當復雜，同時實測多徑自干擾在發射結束100 ms 且經歷了多次反射后，與環路自干擾峰值能量相比僅下降50 dB，因此如何在實際應用中合理地選擇電子艙體材料、收發端布放位置以最大程度降低自干擾復雜度與強度是需要關注的問題。文獻[15] 針對不同結構的通信機電子艙體以及不同布放位置下自干擾強度差異進行了仿真與分析，研究結果表明不同結構及布放位置下自干擾能量強度變化可達十余分貝。

對文獻[11] 中不同布放深度下采集的環路自干擾數據進行進一步處理，可得不同深度下環路自干擾信號傳播信道處理結果如圖1 所示：

圖1 基于IBFD-UWAC工程樣機實測不同深度下環路自干擾信號傳播信道

由圖1 可知，環路自干擾傳播信道實測結果反映的特性與文獻[14]實測結果基本一致，即環路自干擾傳播信道較穩定。

綜合上述內容，對IBFD-UWAC 系統在實際應用中的自干擾傳播信道特性進行總結如下：

（1）自干擾信號將以較慢的能量衰減速度持續較長時間，在一些特定的環境場景中可能會持續超過1 s；

（2）自干擾傳播信道具有極高的復雜度，無論以設備級角度分析還是以自干擾抵消性能角度分析，基本都無法將自干擾傳播信道視為稀疏信道；

（3）環路自干擾傳播信道在上述應用環境中基本都保持著一定的穩定性，這為干擾抵消提供了一定的前提條件；

（4）由于界面波動（以水面為主）影響以及水下設備在水中受水流影響導致的隨機漂移，會使多途自干擾信道存在較大的時變性。

自干擾信道估計精度將直接影響SIC 效果，本文基于目前已知自干擾傳播信道特征，下面對現有的自干擾抵消系統結構及技術進行論述與分析。

1.2 IBFD-UWAC SIC系統結構及技術研究現狀簡述

由于IBFD-UWAC 系統的模數轉換器（ADC,Analog-to-Digital Converter）動態量化范圍有限，當自干擾信號能量過強時，將造成ADC 阻塞效應，導致系統無法采集到遠端弱期望信號，因此需在模擬域進行第一次SIC 處理，使遠端弱期望信號可以完整進入到ADC 動態量化范圍當中，以便數字域進行下一步的處理。文獻[16] 基于一種類似數字輔助模擬自干擾抵消（DAA-SIC,Digitally Assisted Analog Self-Interference Cancellation）[17]的SIC 系統結構，以歸一化最小均方誤差（NLMS,Normalized Least Mean-Square）算法為核心，在淺水信道下實現了初步的模擬域SIC，也證明了信號誤差對自干擾抵消性能的影響。這意味著在模擬域SIC 過程中，還需考慮功率放大器（PA,Power Amplifier）等電子器件對信號的非線性失真影響。

而對于非線性失真影響，目前IBFD-UWAC 系統一般有兩種方式應對：一是將PA 輸出通過衰減器引入到數字域作為自適應濾波器輸入參考信號，用以抵消自干擾信號中的非線性失真分量：二是通過預失真進行補償或通過PA 行為模型對自干擾信號非線性部分進行建模與重構，進而進行抵消。文獻[9]提出了一種基于PA 輸出獲取的數字域SIC 系統結構，利用PA 輸出作為自適應濾波器輸入參考信號，相比于利用數字調制信號作為自適應濾波器輸入參考信號獲得了額外23 dB 的增益效果。同時，對比了NLMS 與RLS-DCD算法在進行SIC 時的性能差異，結果表明當RLS-DCD 與NLMS 達到相同的穩態效果時，RLS-DCD 具備更高的收斂速度。文獻[18]提出了一種新型DAA-SIC 結構，該結構結合了數字預失真（DPD,Digital Pre-Distortion）補償以及記憶多項式（MP,Memory Polynomial）模型，首先通過DPD過程降低PA 非線性失真對發射信號的影響，再通過輔助鏈路及衰減器獲取發射信號，然后對發射信號中DPD 過程未能完全補償的非線性部分通過MP 模型進行建模與重構，并將重構結果作為數字域自適應濾波器輸入參考信號，最后對在輔助鏈路不同有效量化位數下的系統性能進行了仿真，結果表明該結構可在一定程度上降低非線性失真分量及輔助鏈路有效量化位數對SIC 性能的影響。文獻[19]除針對PA 非線性失真影響外，還考慮了接收端前置放大器的非線性失真影響，采用一種非線性均衡器模型實現了對前置放大器非線性失真均衡。從實時實現的角度出發，文獻[20]結合半實物仿真系統在時變水聲信道下實現了對3 kHz 單載波自干擾信號的抵消，所述系統基于LMS 算法在一定步長設定下實現了近55 dB 的實時自干擾抵消效果。文獻[21]基于實測自干擾信道結果，結合多通道判決反饋均衡器，提出了一種迭代IBFD-UWAC 系統接收機結構，在湖試中實現了80 m 的性能演示，當自干擾源強度降低10 dB 時，IBFD 通信距離可以擴大到170 m。文獻[22]提出了一種將基擴展模型方法與滑動窗口RLS（SRLS,Sliding-window RLS）算法相結合的低復雜度內插自適應濾波器，仿真及湖試結果表明該改進型自適應濾波器較經典SRLS 具備更低的復雜度，同時在所搭建的IBFD-UWAC 系統中實現了超過50 dB 的干擾抵消效果。

考慮到上文所述的自干擾傳播信道特征，同時結合目前已有外場實測數據處理過程的文獻來看，多數SIC系統都采用自適應濾波器或其變型對自干擾信號進行信道估計、重構與抵消，這意味著在目前階段自適應濾波器是最適宜SIC 的手段之一，結合前文所述的四點自干擾信道特性可知，若以實現IBFD-UWAC 系統為目標，則需對現有自適應濾波器性能提出以下要求：

（1）以SIC 性能為指標，自適應濾波器需具有較好的穩態性能（SIC 性能上限）；

（2）以時變自干擾信道特征為先驗信息，自適應濾波器需在較長的信道時延下具備較高的收斂效率，同時具備能夠對變化的自干擾信道快速反應的能力；

（3）以實際工程應用角度出發，IBFD-UWAC 系統中的自適應濾波器在迭代過程中算法復雜度應在不影響SIC 性能的基礎上盡可能低；

（4）除SIC 性能為指標外，考慮最終以實現順利解調為目的，需以信干比（SIR,Signal to Interference Ratio）作為指標進一步衡量自適應濾波器性能。

上述基本也是自適應濾波器重要的研究方向，相關技術包括但不僅限于變步長（VSS,Variable Step Size）LMS 濾波器[23]、改進型比例歸一化（IPN,Improved Proportionate Normalized）LMS 濾波器[24]、變遺忘因子（VFF,Variable Forgetting Factor）RLS 濾波器[25]、其他改進型RLS 濾波器[22]等。

同時從上述文獻中可知，在以工程實現的角度出發進行SIC 時，需考慮到電路器件對系統性能的影響，而這一點在傳統的以半雙工體制為主的UWAC 設備中基本很少被考慮到，但亦可對半雙工體制UWAC 系統起到一定性能提升的作用，如在了解非線性器件的影響后，可考慮針對發射機PA 部分進行優化，降低實際發射的通信信號的畸變，從而在一定程度上提升系統的性能。

除上述提及的硬件影響外，筆者在此分享一些在系統實現過程中發現的問題。現有的諸多研究結果都以是否可將自干擾降低至本底噪聲門限作為性能評價依據，但在實際電聯調測試中發現由于輔助鏈路的存在，將導致數字域本底噪聲較大，因此需考慮在模擬及數字電路中采取一定的措施如增加磁珠隔離、縮短共地線等，對噪聲進行進一步壓制。在對減法器（亦或稱為合并器）性能實測過程中，還發現抵消性能存在周期性波動，經過分析可知該波動大概率來源于采樣率偏差，該偏差將導致重構自干擾與自干擾信號之間存在相位差異，這將直接降低抵消性能。下面將針對上述總結內容，就SIC 系統結構及技術研究框架進行詳細說明。

2 IBFD-UWAC SIC技術研究框架與思路

針對上文研究現狀與實驗結果分析以及電聯調實現過程發現的問題，提出一種具有一定實用性的IBFDUWAC SIC 技術研究框架，體現了各域SIC 間的相互聯系、制約及促進作用，具體如圖2 所示。

圖2 IBFD-UWAC SIC技術研究框架

空間域與傳播域在空間上屬同一范圍，但在傳播域上的處理以自干擾信號在傳播過程中的信道多途結構建模為主，因此命名為傳播域；而空間域自干擾抑制主要通過物理隔離、波束形成等技術，屬利用空間及多路接收獲得增益效果，因此命名為空間域，為使其意義清晰，特在此進行區分。

從傳播域上看，自干擾傳播信道呈現長時延、高復雜度、局部穩定性（環路自干擾部分）、時變性的特征，因此在研究中可基于現有研究經驗，以不同的信道估計方法分別對環路自干擾與多途自干擾進行信道估計，同時基于實測數據充分研究自干擾信道特性并嘗試進行建模，以便當實測數據不足時，為后續模擬域、數字域SIC技術研究中的自干擾信道假設提供合理依據。此處可包含但不僅限于環路自干擾信道建模、時變多途自干擾信道建模、基于基擴展模型的時變信道跟蹤等。

從模擬域上看，由于受到器件影響，該部分SIC 過程顯得尤為復雜，需合理應對功率器件、功能器件（衰減器、合并器等）、前置放大器對SIC 性能的影響，其中不同于無線電通信系統中的功率放大模塊特征，水聲類功放往往需對電容進行充電以達到所期望的發射聲源級，但在IBFD-UWAC 系統中，這意味著記憶效應的增強，因此需提高模型記憶深度（階數），當參數設定小于實際情況時，模型擬合效果將下降。模擬域SIC 過程中，需應對更為復雜的信道條件，同時要對時變部分信道（SMI）及緩慢變化信道（SLI）分別進行抵消，其中可采用組合形式，即“固定延遲濾波器+自適應濾波器組合”或“DAA-SIC 結構”，若引入DAA-SIC 系統結構，數字域SIC 算法的性能提升可帶動模擬域SIC 性能的提升。同時，若以獨立的數字域SIC 為研究方向，則該部分SIC效果可結合總的干擾抵消需求為數字域SIC 研究中自干擾及期望信號強度提供合理假設。

從數字域上看，可以時變自干擾信道特征為研究導向，以改進型自適應濾波器為研究路線，以電路影響因素作為算法性能影響變量，并以SIR 作為進一步的性能指標。該部分為SIC 技術研究中的最主要內容，但其也將受到其他域的影響，如若模擬域SIC 性能過強，則數字域SIC效果會出現明顯下降的情況。考慮到該部分為SIC 過程的最后階段，在當SIC 完成后，需保證通信系統順利解調，因此可以通信系統誤碼率（BER,Bit Error Rate）為指標，為模擬域、數字域SIC 量的分配提供依據。

從空間域上看，目前主要集中于物理隔離、空間指向性、多路信號處理增益方面，可針對上述方向進行進一步研究，但考慮到上述手段對自干擾信號產生的影響，因此需以不影響（或較小程度影響）后續SIC 為前提，以最大程度降低直達自干擾為目標，研究空間域自干擾抑制技術。

3 結束語

本文針對目前IBFD-UWAC SIC 技術研究現狀進行了簡述，并基于研究現狀、外場實驗結果及系統電聯調過程中發現的新問題，對IBFD-UWAC SIC 過程中現存的問題進行了總結與分析，提出了一定實用性的IBFDUWAC SIC 技術研究框架與思路。作為6G 潛在關鍵技術之一，IBFD 技術不僅可以應用于新一代通信技術中，還能夠改變現有水下信息交互方式，極大地提升水下通信網絡的綜合性能。此外，6G 中的其他關鍵技術的研究內容與突破亦可為水下通信網絡帶來增益效果及新的思路，如統一的編譯碼架構，適用于IBFD-UWAC 系統的不同波形設計方案以及非正交多址接入技術等。