本期关注l耿伟彪,张丹丹,张中山 Monthly Focus i全双工通信系统中的白干扰消除方法研究 全双工通信系统中的 RCesaenacrecllha toionn t hMee StheoIfd— ifnotre trh-fer eFnuClI e Duplex Communication Systems 白干扰消除方法研究 耿伟彪,张丹丹,张中山(北京科技大学,北京100083) Geng Weibiao,Zhang Dandan。Zhang Zhongshan(UniVersity ofScience andTechnologyBeijing。Beijing 100083。China) 摘要: 关键词: 作为第五代移动通信系统(5G)的核心技术之一,全双工通信技术能够实现通 第五代移动通信系统;全双工;自干扰消除 信系统在同一频率上同时进行无线信号的收发,从而极大地提升频谱利用率, doi:10.16463/j.cnki.issn1007-3043.2015.06.005 有望实现无线通信系统的容量倍增。全双工通信系统设计与实现的主要难点 中图分类号:TN929.5 在于模拟域和数字域自干扰信号消除问题。针对这一问题,介绍了全双工自干 文献标识码:A 扰消除方法,并且对3种典型的全双工无线通信系统设计方案进行分析。 Abstract: 文章编号:1 007—3043(201 5)06—001 8—04 As one of the critical techniques on the fifth—generation mobile communication systems,full-duplex technique enables the si— multaneous transmission and reception of a device on the same frequency,thus substantially promoting the spectrum efficien— cy and theoretically achieving the capacity doubling compared with half-duplex.The main challenge in designing full-duplex communication systems comes frOm the difficulties in cancelling the se1f—interference signals in both the analog and digital do- mains.The key technologies for self—interference cancellation are introduced,followed by three typical algorithms analyzed. Keywords: The fifth—generation mobile communication systems;Full-duplex;Self—interference cancellation 0前言 随着移动互联网等技术的快速发展,未来5G移动 有用信号,降低无线通信系统的通信性能。尽管全双 工设备的发送信号是已知的,然而发送信号到自身接 收机之间的信道是未知的,当采用对消信号进行白干 扰消除时,对消信号在传输过程中也会产生失真,从而 导致较大的自干扰消除误差。因此,必须设计有效的 白干扰消除算法,从而将全双工设备的自干扰信号抑 制在一个可以接受的范围。 通信系统必须提供更大的网络容量、更快的传输速率 以及更高的频谱利用率,从而满足移动用户指数增长 的数据速率与业务需求。由于传统的半双工移动通 信系统不能在同一信道实现信号的同时收发,从而限 制了无线频谱利用率的进一步提升。 全双工技术能够有效地解决上述问题。该技术 利用同一频率实现上、下行链路的同时收发,从而在 1自干扰消除关键技术 作为全双工通信的核心难点,白干扰消除技术可 以分为天线消除、模拟白干扰消除和数字白干扰消除 三大类。 1.1天线消除 理论上能够实现频谱资源利用率及数据吞吐量的倍 增,同时有效降低端到端延时、减小无线接人冲突。 由于全双工技术采用同一频率进行信号的同时 收发,从而导致高功率的白干扰信号淹没接收天线的 收稿日期:2015-05-07 天线消除的基本原理是:通过调整收发天线方向 或者天线位置、路径损耗等,在自干扰信号到达全双工 设备自身接收天线之前将其最大程度地进行衰减。通 1 8 l 2015/06/DTPT 【 耿伟彪,张丹丹,张中山j本期关注 全双工通信系统中的自干扰消除方法研究I MonthlyFocus 过调整收发天线方向可以将同一节点发射信号和接收 信号的波束对准不同的方向,从而降低发射信号对全 双工设备自身接收信号的干扰。 此外,增加收发天线之间的距离也可以增大自干 扰信号路径损耗,从而有效抑制自干扰信号。 1.2模拟自干扰消除 由于受到全双工天线距离和设备尺寸的,依 靠天线消除方法达到的白干扰消除效果十分有限,此 时接收天线接收到的自干扰信号的功率仍然远高于有 用信号。为了避免引入量化噪声,在进行数字域自干 扰消除之前,往往采用模拟域白干扰消除技术来降低 自干扰信号的功率。 模拟域自干扰消除的基本原理:从发射天线耦合 一路信号作为对消信号,通过调整对消信号的幅度和 相位使得对消信号与白干扰信号同频反向。模拟消除 的主要难点在于如何自动调整对消信号以使残存自干 扰信号最小化。 以两天线设计方案为例,模拟消除的原理框图如 图1所示,射频信号中的大部分信号经发射天线TX发 出,另外通过功分器耦合一部分信号作为自干扰对消 信号。通过反馈环节,由FPGA结合相应算法调节信 号的功率与相位,使其与接收天线RX接收到的自干 扰信号幅度相等、相位相反,从而达到自干扰信号消除 的目的。 1.3数字自干扰消除 经过模拟域自干扰消除后,接收信号中仍然存在 残存自干扰信号,必须通过数字域算法进一步减少白 干扰信号的影响。数字域消除的主要难点在于如何对 信号时延D和自干扰信道日进行估计。 时延估计采用相关函数法,数字域对消信号和自 干扰信号的互相关函数峰值对应的横坐标值即为信号 时延D,仿真结果如图2所示。 ∞ 50 0 山 5O ∽100 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1O O.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 tim ̄ /s 善 Ooo O00 芒 8 000 O 宝 U 00O 图2采用相关函数法进行时延估计仿真图 由于无线信道具有时变特性,必须在数字域采用 动态白干扰消除机制,并借助于高精度算法对自干扰 信道 进行估计。该算法包含静态估计和自适应调整 两部分,信道空闲时采用MMSE算法进行静态估计,通 信时通过NLMS算法自动调整FIR滤波器系数来改变 对消信号。 信道空闲时,每个节点向其他节点发送训练序列, 用于信道估计。对于一个给定的训练序列s和接收信 号R,静态信道估计的表达式如下: Ha…=尺 [R +0-2(ss“) RS (1) 式中: R ——信道冲击响应的自相关矩阵 ——加性白噪声的方差 通信过程中,通过自适应调整FIR滤波器系数,能 够有效地减少残存自干扰信号。采用闲时所得的信道 信息作为FIR滤波器的初始权重 ,即 W ̄=Hm… (2) = + IIx(n)ll 一~ (咖 ) (3) 式中: ll-一步长 (n)——只寸消信号 e (n)——误差信号e(n)的共轭 如图3所示,将所提出算法与传统NLMS算法相比 较,该算法可以显著提升系统的收敛速度,同时提高信 道估计精度。 经天线隔离和模拟消除后,假设此时自干扰信号 功率为一76 dB,且信噪比为30 dB,该算法的消除性能 邮电设计技术/201 5/06 l 1 9 本期关注 耿伟彪,张丹丹,张中山 MonthlyFocus i全AT通信系统中的自干扰消除方法研究 仿真结果如图4Ffr示。从图4中可以看出,残存自干扰 信号强度将明显低于底噪(功率为一90 dB)。 2设计方案研究 典型的全双工通信系统设计方案包括单天线收发 系统(1根天线完成信号收发)、双天线收发系统(发射 天线和接收天线各1根)和三天线收发系统(1根接收 天线和2根发射天线)。下文将对不同的方案进行简 要分析。 2.1三天线设计方案 参考文献[1]于2010年首次提出采用三天线设计 方案实现全双工无线收发系统,并且第一次将天线消 除技术应用到白干扰消除中。 如图5所示,2根发射天线与接收天线的距离相差 半波长,理想情况下2路发射信号在接收天线处幅度 相同,相位相反,从而有效消除30 dB的白干扰信号。 在802.15.4系统中,该设计方案结合模拟消除和数字 消除可以减少约60 dB的白干扰信号。 由于该方案只能对发射信号中心频率部分实现精 确反转,因此,随着信号带宽的增加,该方案的白干扰 20 201 5/06/DTPT 图5三天线设计方案原理框图 消除性能将逐渐减弱。此外,当输入功率超出门限时, QHx220芯片会引入非线性误差,影响后续模块中的数 字消除效果。 2-2双天线设计方案 参考文献E2]介绍了一种双天线设计方案,其原理 框图如图6所示。该方案借助于巴伦模块来实现信号 反转,对白干扰信号的带宽与发射功率并没有严格的 ;同时,该方案可以自动调节对消信号,从而能够 精确消除白干扰信号。 然而,依靠巴伦消除仅能消除40~45 dB的自干扰 信号,必须结合数字消除来进一步减少25 30 dB的白 干扰信号;此外,若收发天线距离为20 om,该方案可 以实现总的消除能力达到1 13 dB。同时,对于发射信 号为20 dBm的wi—Fi系统而言,数字消除后的残存白 干扰信号功率低于底噪,系统可以进行正常通信。 . 耿伟彪,张丹丹,张中山 本期关注 Monthly Focus 全双工通信系统中的自干扰消除方法研究2.3单天线设计方案 mnn Lett,2O14,3(1):34—37. 参考文献[3]考虑了多径时延导致的线性失真、电 路器件导致的非线性失真和发射机噪声,设计了相应 [2] Rankov B,Wittneben A.Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels[J].IEEE J Sel Area Comm,2007.25(2):379— 389. 的动态自适应模拟消除算法和数字消除算法,其原理 框图如图7所示。首次采用单天线原型机在Wi—Fi环 境下实现了87%的吞吐量增益,非常接近理论上的吞 [3] Hong S S,Brand J,Choi J I,et a1.Applications of self-interference cancellation in 5G and beyond[J].IEEE Communications Magazine, 2014,52(2):1 14—121. 吐量倍增。 图7单天线设计方案原理框图 2.4未来设计方案展望 目前的全双工系统模拟消除设备尺寸仍然过大, 对于手机等便携式设备而言,设计高性能全双工通信 模块仍然具有巨大的挑战,小尺寸的集成电路仍然是 系统设计的重点。 同时,现有的全双工系统设计方案大多是针对 SISO场景,若能解决不同天线之间的串扰问题,全双 工系统将有望应用在MIMO场景下。 3结束语 目前,国内外针对全双工理论和技术的研究尚处 于起步阶段,基础理论体系亟待形成,仍具有很大的创 新空间。实现全双工技术,提升通信系统容量,其关键 是消除白干扰信号。本文总结归纳了2种消除技术、3 种实现方案,为全双工研究工作的开展提供了便利。 参考文献: Zhou Mingxin,Cui Hongyu,Song Lingyang,et a1.Transmit—receive antenna pair selection in full duplex systems[J].IEEE Wire1 Corn一 [4] Melissa Dua ̄e.Full—duplex wireless:design,implementation and characterization[D].Dissertation for Ph.D.Degree.Houston:Rice University,2012. [5]张丹丹,王兴,张中山.全双工通信关键技术研究[J].中周科学 信息科学,2014,44(8):951—964. 1 6 J Evan Everett.Full—duplex infrastructure nodes:achieving long range with half-duplex mobiles[D].Dissertation for M.Sc.Degree.Hous- ton:Rice University,2012. 1 7 J Raghavan A,Gebara E,Tentzeris E M,et a1.Analysis and design of an interfeFence canceller for collocated radios[J].IEEE Trans Mi. crowTheory,2005,53(11):3498-3508. 1 8 J Michalopoulos D S,Schlenker J,Cheng J,et a1.Error rate analysis of full—duplex relaying[C].Proceedings of International Waveform Di- versity and Design Conference(WDD),Niagara Falls,20 1 0:1 65—1 68. 【9 j Joung Jingon,Sayed A H.Design of half-and full—duplex relay sys- tems based on the MMSE formulation l C J.Proceedings of IEEE/SP 15th Workshop on Statistical Signal Processing(SSP’09),Cardif, 2009:281-284. 110 J Chen S,BeachMA,McGeehan J P.Division—free duplexforwireless applications[J].Electron Lett,1998,34(2):147—148. 1 l1 J Everett E,Dua ̄e M.Empowering full—duplex wireless communica- tion by exploiting directional diversity[C].Asilomar Conference on Signals,Systems and Computer 201 1:2002—2006. [12 J Stankovic V,Spalevic P.Cooperative relaying with block DFT pro— cessing and full-duplex relays[J].Electron Lett,2013,49(4):300— 302. 1 l3 J Choi Jung II,Jain Mayank,Srinivasan Kannan,et a1.Achieving sin・ gle channel,full duplex wireless communication[c].Proceedings of the sixteenth annual international conference on Mobile computing and networking.ACM.2010:1—12. 1 14 J Jain Mayank,Choi Jung II,Kim Tae Min,et a1.Practical,real—time, full duplex wireless[C].Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking.ACM,201 1:301— 312. 1 15 J Bharadia D,McMilin E,Katti S.Full duplex radios[J].ACM SIG- COMM Computer Communication Review.ACM,2013,43(4):375— 386 /厂一~…一一…一………——…一………一……一~一一一…~、 f作者简介: 1 {耿伟彪,在读硕士研究生.主要从事无线全双工关键技术研究工作;张丹丹.在读硕士研 l究生,主要从事无线网络中继选择研究工作;张中山,教授,主要从事下一代无线通信系 J 竺 竺 …一……………一 邮电设计技术/201 5/06 J I 21