何昭君 沈 瑩 邵士海 卿朝進(jìn) 唐友喜

?

多徑瑞利衰落信道條件下射頻干擾抵消誤差對(duì)CCFD系統(tǒng)中OFDM性能的影響

何昭君 沈 瑩 邵士海 卿朝進(jìn) 唐友喜*

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 611731)

無(wú)線通信；同時(shí)同頻全雙工；射頻干擾抵消；誤碼率；干擾抑制比

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線頻譜資源日益稀缺[1]。現(xiàn)有通信系統(tǒng)的雙工方式主要有：時(shí)分雙工(Time Division Duplexing, TDD)、頻分雙工(Frequency Division Duplexing, FDD)[2]。同時(shí)同頻全雙工(Co-time Co-frequency Full Duplexing, CCFD)，能夠在同一頻率、同一時(shí)刻傳輸上下行數(shù)據(jù)，能夠獲得更高的系統(tǒng)容量及頻譜利用率[3,4]。OFDM是時(shí)變多徑衰落信道中一種有效的傳輸方式，已應(yīng)用在802.11a, 802.16, 802.16n等多個(gè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中[5]。

針對(duì)兩發(fā)一收天線，信號(hào)帶寬40 MHz，載波頻率2.48 GHz，發(fā)射功率0 dBm, 802.11n OFDM的調(diào)制信號(hào)，文獻(xiàn)[6]中的射頻干擾抵消器可以抑制45 dB的模擬自干擾信號(hào)。文獻(xiàn)[9]以WARP為測(cè)試平臺(tái)，采用1發(fā)1收的天線結(jié)構(gòu)，發(fā)射功率-5~15 dBm，遠(yuǎn)端到近端的間距6.5 m，以2.4 GHz藍(lán)牙和WiFi信號(hào)為例，近端收發(fā)天線間距為40 cm, 20 cm時(shí)分別獲得了31 dB, 33 dB的射頻自干擾抑制效果。文獻(xiàn)[6]實(shí)測(cè)了射頻干擾抵消幅度及相位估計(jì)誤差對(duì)CCFD自干擾抑制效果的影響，針對(duì)10 MHz帶寬的OFDM信號(hào)，不斷調(diào)整接收端射頻干擾抵消器[13]的幅度和相位因子的同時(shí)測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度，得到了接收信號(hào)強(qiáng)度與幅度誤差、相位誤差的3維關(guān)系曲面圖。結(jié)果表明，RSSI呈漏斗狀，存在全局最小點(diǎn)。

本文內(nèi)容安排如下：第2節(jié)是系統(tǒng)模型；第3節(jié)是考慮了幅度及載波相位估計(jì)誤差的CCFD誤碼率及射頻抑制效果分析；第4節(jié)給出數(shù)值及仿真結(jié)果對(duì)比；最后全文總結(jié)。

2 系統(tǒng)模型

本文采用的射頻干擾抵消模型見(jiàn)圖1，通信雙方分別被稱為“近端”和“遠(yuǎn)端”，近端或遠(yuǎn)端收發(fā)信機(jī)分別采用不同的天線同時(shí)同頻全雙工傳輸。近端接收天線在接收遠(yuǎn)端信號(hào)的同時(shí)，也受到自身發(fā)射信號(hào)的干擾。近端接收機(jī)估計(jì)出自干擾信號(hào)的載波相位和幅度，相應(yīng)調(diào)整本地重建自干擾信號(hào)的相位和幅度，從接收信號(hào)中減去自干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)射頻干擾抑制。

2.1 遠(yuǎn)端發(fā)射機(jī)

在圖1右下所示的遠(yuǎn)端發(fā)射機(jī)中，遠(yuǎn)端發(fā)射的信號(hào)可以表示為[14]

2.2 近端發(fā)射機(jī)

同樣，在圖1左上所示的近端發(fā)射機(jī)中，近端發(fā)射的信號(hào)可以表示為[14]

2.3 信道模型

圖1 系統(tǒng)模型

2.4 近端接收機(jī)

3 性能分析

3.1 射頻干擾抑制過(guò)程

3.2 解調(diào)

將式(6)，式(7)代入式(8)并化簡(jiǎn)，有

3.3 誤碼率

在式(9)中，令

將式(9)帶入式(11)并化簡(jiǎn)可知：

其中

3.4 干擾抑制比

干擾抑制比(Interference Cancellation Ratio, ICR)定義為原始干擾信號(hào)功率與射頻干擾抵消后殘余信號(hào)功率的比值[16,17]。ICR越大，抑制效果越好；當(dāng)干擾完全抵消時(shí)，ICR為無(wú)窮大。

將式(6)，式(10)代入式(18)并化簡(jiǎn)，可得平均干擾抑制比為

4 數(shù)值及仿真結(jié)果

4.1 星座圖對(duì)比

4.2 誤碼率

圖2 信干比-50 dB時(shí)，不同幅度和載波相位估計(jì)誤差條件下的解調(diào)星座圖

4.3 射頻抑制比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了遠(yuǎn)端到近端的瑞利頻率選擇性衰落環(huán)境下，射頻抵消過(guò)程中的幅度估計(jì)相對(duì)誤差和載波相位估計(jì)誤差對(duì)同時(shí)同頻全雙工傳輸方式的影響。推導(dǎo)了公式，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，分析結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。在相同信干比條件下，幅度估計(jì)相對(duì)誤差和載波相位估計(jì)誤差的絕對(duì)值越小，誤碼率越低，射頻抑制比ICR越大，射頻抵消效果越好。當(dāng)幅度和載波相位估計(jì)存在誤差時(shí)，在高信噪比條件下，存在誤碼率平層現(xiàn)象；而且幅度和載波相位估計(jì)誤差的絕對(duì)值越大，誤碼率平層越嚴(yán)重。

圖3 信干比-70 dB時(shí)，幅度和載波相位估計(jì)誤差對(duì)誤碼率的影響

圖4 幅度和載波相位估計(jì)誤差對(duì)射頻抑制比ICR影響等高線圖

[2] Chan P W C, Lo E S, Wang R R,.. The evolution path of 4G networks: FDD or TDD?[J]., 2006, 44(12): 42-50.

[3] Yamamoto K, Haneda K, Murata H,.. Optimal transmission scheduling for a hybrid of full and half duplex relaying[J]., 2011, 15(3): 305-307.

[4] Chun Byung-jin and Park Hyun-cheol. A spatial-domain joint-nulling method of self-interference in full-duplex relays [J]., 2012, 16(4): 436-438.

[5] Li Ye and Stüber Gordon. Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications[M]. USA, Springer, 2006: 222-223.

[6] Jain Mayank, Choi Jung, Kim Tae min,.. Practical, real-time, full duplex wireless[C]. Mobile Computing and Networking, New York, USA, 2011: 301-312.

[7] Choi Jin-yong, Hur Min-sung, Suh Young-woo,.. Interference cancellation techniques for digital on-channel repeaters in T-DMB system[J]., 2011, 57(1): 46-56.

[8] Lee Young-jun, Lee Ji-bong, Park Sung-Ik,.. Feedback cancellation for T-DMB repeaters based on frequency- domain channel estimation[J]., 2011, 57(1): 114-120.

[9] Duarte M and Sabharwal A. Full-duplex wireless communications using off-the-shelf radios: feasibility and first results[C]. Signals, Systems and Computers, Pacific Grove, USA, 2010: 1558-1562.

[10] White C R and Rebeiz G M. Single-and dual-polarized tunable slot-ring antennas[J]., 2009, 57(1): 19-26.

[11] Elsherbini A and Sarabandi K. Dual-polarized coupled sectorial loop antennas for UWB Applications[J]., 2011, 10: 77-78.

[12] Guo Yong-xin and Luk Kwai-man. Dual-polarized dielectric resonator antennas[J]., 2003, 51(5): 1120-1124.

[13] Active isolation enhancer and interference canceller QHx220 [OL]. http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/ documents/fn69/fn6986.pdf, 2013.

[14] Dweik A Al, Sharif B, and Tsimenidis C. Accurate BER analysis of OFDM systems over static frequency-selective multipath fading channels[J]., 2011, 57(4): 895-901.

[15] Chapra S and Canale R. Numerical Methods for Engineers [M]. USA: McGraw, 2008: 56-58.

[16] Ding Zhi-yao, Song Wen-wu,Fang Chong-hua,.. Suppressing cosite interference of shipboard antennas using AIC technology[C]. Microwave Technology and Computational Electromagnetics, Beijing, China, 2009: 173-175.

[17] Xiao Huan, Zhao Zhi-hua, Tang Jian,.. The influence of time delay between interference signal and reference signal to the interference cancellation System[C]. Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), Beijing, China, 2011: 603-606.

[18] 3rd Generation Partnership Project. 3GPP TS 36.211: Physical channels and modulation release 10[S]. 2011.

[19] Alan B and Giulio C. On the Cramer-Rao bound for carrier frequency estimation in the presence of phase noise[J]., 2007, 6(2): 575-582.

[20] Petre S, Li Hong-bin, and Li Jian. Amplitude estimation of sinusoidal signals: survey, new results, and an application [J]., 2000, 48(2): 338-352.

何昭君： 男，1983年生，博士生，研究方向?yàn)橥瑫r(shí)同頻全雙工系統(tǒng).

沈 瑩： 男，1980年生，副教授，研究方向?yàn)橥瑫r(shí)同頻全雙工系統(tǒng)、分布式信號(hào)處理等.

邵士海： 男，1980年生，副教授，研究方向?yàn)橥瑫r(shí)同頻全雙工系統(tǒng)、擴(kuò)頻通信、OFDM、MIMO等.

卿朝進(jìn)： 男，1978年生，講師，研究方向?yàn)橥瑫r(shí)同頻全雙工系統(tǒng)、分布式MIMO、壓縮感知等.

唐友喜： 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥瑫r(shí)同頻全雙工系統(tǒng)、CDMA、OFDM、分布式MIMO、高效功率放大器等.

Impact of RF Self-interference Cancellation Errors on OFDM Based on CCFD System in Multipath Rayleigh Fading Channel

He Zhao-jun Shen Ying Shao Shi-hai Qing Chao-jin Tang You-xi

(,,611731,)

Wireless communication; Co-time Co-frequency Full Duplex (CCFD); Radio frequency cancellation; Bit Error Rate (BER); Interference Cancellation Ratio (ICR)

TN92

A

1009-5896(2014)02-0358-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00316

唐友喜 tangyx@uestc.edu.cn

2013-03-15收到，2013-11-01改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(61001087, 61101034, 61271164)，廣東省聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1035002/L05)和新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2014ZX03003001-002, 2012ZX03003010-003, 2011ZX 03001-006-01)資助課題