同时同频全双工数字自干扰消除研究.docx

同时同频全双工数字自干扰消除研究【摘要】在5G通信研发中同时同频全双工作为提高频谱效率的关键技术之一需要克服的重要问题就在于自干扰的消除。本文研究了关注甚少的数字消除方式全面分析了信道估计联合自适应滤波的消除方案。【关键词】无线通信同时同频全双工数字消除一、引言近年来4G通信技术已日趋成熟然而随着用户速率和业务量需求的飞速增长无线通信系统所需的带宽不断增大对频谱资源的需求也在迅速增加为满足日益增长的通信需求5G的研发已提上日程。尽管5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络但亟待解决的问题也很多在无线传输技术方面同时同频全双工就是解决频谱效率问题的关键技术之一。传统的时分双工和频分双工这两种双工技术作为无线通信系统中的主流技术已在无线通信领域广泛使用。但是时分双工与频分双工技术中存在的问题使这两种技术性能受到限制。例如使用时分双工会使节点间的信道不一致特性恶化同时由于通信双方分时的收发数据时间利用率不高影响通信效率。而另一方面在频分双工通信系统中当节点试图相互发送与接收信号时需要在某一频段发射信号在另一频段接收信号导致进行双工通信需要两倍的单向通信链路带宽在无线频谱资源日益紧张的今天带宽资源占用太大并且会限制系统中可以通信的节点数量。在传统技术的这些缺陷下国外研究者提出尝试让双工通信节点双方在同一频带上同时发送与接收信号即全双工（FullDupleFD）技术而在国内通常称之为同时同频全双工（Co-timeCo-frequencyFullDuplexCCFD）技术。虽然同时同频全双工比起传统双工方式节省了一半的时间开销与频率开销使频谱效率加倍但是该技术有一个显著问题要解决就是本地自干扰的抑制。对相互通信双方的任一节点而言对方发射天线发来的信号为自身需要的期望信号而自身发射天线的发射信号对自身接收端就造成干扰称之为自干扰。由于自身节点收发天线之间的距离远小于相互通信的节点之间距离这个自干扰信号就远大于期望信号显然消除自干扰就是最关键任务。现行的自干扰消除研究中根据干扰消除方式和位置的不同可分为天线、射频、数字三种方式。天线消除的原理是将收发天线在空中接口处分离从而降低发射机信号对接收机信号的干扰主要有以下三种方式：1）拉远发射天线和接收天线之间的距离采用分布式天线增加电磁波传播的路径损耗以降低双工干扰（DI）在接收端的功率；2）直接屏蔽DI：在l射天线和接收天线之间设置一微波屏蔽板；3）配备多发射天线调整多个发射天线到接收天线的距离使发射信号在接收天线处相位相反实现抵消。而射频方式主要是在模拟域通过射频电路以相位反转的形式实现干扰抵消该方式研究较广泛且成效可观。天线、射频方式研究较早且关注较多并且自干扰消除效果显著而数字方式较前两者而言关注甚少目前大概也只能实现10dB至15dB的自干扰功率衰减但作为对整体干扰消除效果的完善数字方式不可或缺因此还有待更多的研究。本文分析的数字自干扰消除方式为基于信道估计的自适应滤波方案第二节阐述该方案的原理及整体框架第三节分析信道估计的原理方法第四节介绍时域自适应滤波算法第五节探讨该数字消除方案需要注意的问题最后作出总结展望。二、数字自干扰消除方案由于在天线、射频消除后接收信号中往往还存在残余自干扰需要通过数字域消除方式进一步完善消除性能。与射频消除思想类似数字方式也是干扰抵消原理通过重建干扰信号副本然后在总的接收信号中减去以消除自干扰不同的是数字方式是将信号经过模数转换变为数字信号后再作消除。然而在同时同频全双工无线通信系统中实施的数字干扰消除比在其他应用中使用的数字消除（如连续干扰消除（简称SIC）与解码等）比起来更具挑战性因为全双工设备中若丢失了20%的数据包就意味着系统仅仅是可用而已。因此为了在后续提取期望信号的工作中能提高精确度完善数字自干扰消除性能就很有必要这就要求自干扰信号能被准确消除那么获取自干扰信号特性以及实时捕获它的变化就显得尤为重要这里分析的信道估计联合自适应滤波消除方案则是一种有效方式。图1所示为该数字自干扰消除方案的基本框架。由于本地自干扰信号在到达自身接收端时会受无线信道影响振幅、相位等信号特性会发生变化要使滤波器产生精确的自干扰估计信号首先得通过信道估计获取自干扰信道冲激响应并作为滤波器的初始加权系数再结合自适应算法进行调整以使滤波器能实时跟踪自干扰信号的变化从而输出更接近于干扰信号的抵消信号。三、自干扰信道估计由于自干扰信号受无线信道影响如果能估计出自干扰信道冲激响应就能获取自干扰在接收端的信号特性这样就有利于后续自适应滤波器输出更精确的干扰估计信号因此