王 俊 趙宏志 卿朝進(jìn)② 唐友喜

?

同時(shí)同頻全雙工場(chǎng)景中的射頻域自適應(yīng)干擾抵消

王 ?、仝w宏志①卿朝進(jìn)①②唐友喜*①

①(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 611731)②(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院 成都 610039)

考慮同時(shí)同頻全雙工無(wú)線收發(fā)信機(jī)的射頻域自干擾抵消技術(shù)，現(xiàn)有研究多集中于利用手動(dòng)方式調(diào)整自干擾估計(jì)信號(hào)的參數(shù)。針對(duì)這一問(wèn)題，該文提出一種射頻域的自適應(yīng)干擾抵消算法。以正交、同相參考支路構(gòu)成的自干擾估計(jì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用梯度下降法搜索支路的最優(yōu)權(quán)矢量，估計(jì)出自干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了射頻域的自適應(yīng)干擾抵消，并且給出了該算法的收斂性分析。分析與仿真表明，當(dāng)?shù)介L(zhǎng)越大或統(tǒng)計(jì)時(shí)間越短時(shí)，算法的收斂速度越小。在100倍符號(hào)周期的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，0.3的歸一化步長(zhǎng)，80 dB干信比以及0 dB信噪比的仿真條件下，該文提出的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法可以實(shí)現(xiàn)約100 dB的自干擾抑制。

無(wú)線通信；同時(shí)同頻全雙工；射頻域干擾抵消；收斂性

1 引言

在同時(shí)同頻全雙工傳輸模式的收發(fā)信機(jī)中，接收信號(hào)受到了來(lái)自本地發(fā)送信號(hào)的大功率干擾。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)的動(dòng)態(tài)范圍有限，在進(jìn)入ADC之前接收信號(hào)干信比必須降低到一定水平[6]。因此，在同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)中，射頻域的自干擾抵消技術(shù)研究尤為重要。

在已有的同時(shí)同頻全雙工射頻域自干擾抵消技術(shù)中，文獻(xiàn)[7, 8]利用本地發(fā)送射頻信號(hào)作為自干擾信號(hào)的參考，通過(guò)改變參考信號(hào)的相位和幅度，分別在2.4 GHz頻段、530 MHz頻段驗(yàn)證了射頻域自干擾抵消的可行性；文獻(xiàn)[9, 10]則采用由正交、同相兩條支路構(gòu)成的自干擾信號(hào)估計(jì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)手動(dòng)方式調(diào)整兩支路的衰減器增益，實(shí)現(xiàn)了在2.4 GHz頻段的射頻域自干擾抵消方案驗(yàn)證。雖然文獻(xiàn)[7~10]驗(yàn)證了射頻域自干擾抵消方案的可行性，但是它們均未給出參考信號(hào)參數(shù)調(diào)整的具體方法，無(wú)法直接應(yīng)用于實(shí)際的通信系統(tǒng)。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文以正交、同相參考支路構(gòu)成的自干擾估計(jì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，首先對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度與兩支路權(quán)矢量之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析；進(jìn)而提出了一種射頻域的自適應(yīng)干擾抵消算法；然后分析了該算法的收斂性，并討論了干信比、統(tǒng)計(jì)時(shí)間、迭代步長(zhǎng)等參數(shù)對(duì)收斂速度的影響；最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

本文結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)給出同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)模型；第3節(jié)詳細(xì)闡述射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法；第4節(jié)分析該算法的收斂性；仿真結(jié)果在第5節(jié)中給出；第6節(jié)為本文的結(jié)論。

2 系統(tǒng)模型

本文采用的同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)模型如圖1所示[9]，系統(tǒng)包括近端與遠(yuǎn)端兩個(gè)收發(fā)信機(jī)。為了便于分析，本文以近端收發(fā)信機(jī)為例，闡述其射頻域自干擾抵消算法。為便于標(biāo)識(shí)，用下標(biāo)表示近端發(fā)射信號(hào)參數(shù)，下標(biāo)表示遠(yuǎn)端發(fā)射信號(hào)參數(shù)。

2.1發(fā)射機(jī)模型

其中

2.2 信道模型

2.3 接收機(jī)模型

干擾抵消后的信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、匹配濾波后，解調(diào)得到遠(yuǎn)端發(fā)送比特流的估計(jì)值。

3 干擾抵消算法

3.1 干擾抵消結(jié)構(gòu)

根據(jù)三角函數(shù)的和差化積恒等式，式(5)中的近端自干擾信號(hào)項(xiàng)可寫為

因此，射頻域近端自干擾信號(hào)的估計(jì)可以轉(zhuǎn)化為參數(shù), 的估計(jì)。不妨定義, 分別為參數(shù), 的估計(jì)值。根據(jù)式(14)，本文采用的射頻域自適應(yīng)干擾抵消結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 基于梯度下降法的自適應(yīng)干擾抵消

其中

綜上所述，在同時(shí)同頻全雙工場(chǎng)景中，在圖2所示的自適應(yīng)干擾抵消結(jié)構(gòu)中，射頻域自適應(yīng)干擾抵消步驟如下：

其中

并控制修改同相、正交兩支路的增益；

步驟4 重復(fù)步驟2。

4 性能分析

4.1收斂性分析

則第步迭代的誤差矢量與初始誤差矢量的關(guān)系為

綜上所述，當(dāng)式(32)的條件滿足時(shí)，本文的射頻域自干擾抵消算法是收斂的。

4.2 收斂速度分析

5 數(shù)值與仿真結(jié)果

表1 數(shù)值與仿真分析的參數(shù)設(shè)置

需要指出的是，由于文獻(xiàn)[7~10]只是對(duì)射頻干擾抑制進(jìn)行可行性驗(yàn)證，并且僅給出了在特定實(shí)驗(yàn)環(huán)境中干擾抑制的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，該方案很難重建以及評(píng)估性能。因此，本文沒(méi)有與上述文獻(xiàn)中的方案進(jìn)行仿真對(duì)比。

綜上所述，考慮同時(shí)同頻全雙工傳輸場(chǎng)景，針對(duì)加性白高斯噪聲無(wú)線傳播信道，在加性白高斯噪聲無(wú)線自干擾信道中，本文提出的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的自適應(yīng)抵消。結(jié)合式(35)可知，當(dāng)?shù)介L(zhǎng)越大或統(tǒng)計(jì)時(shí)間越短時(shí)，算法的收斂速度越快。從仿真結(jié)果中容易看出：在2.4 GHz載頻、5 MHz帶寬、BPSK調(diào)制、0 dB信噪比，100倍符號(hào)周期的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，0.3的歸一化步長(zhǎng)以及80 dB干信比的仿真條件下，同時(shí)同頻全雙工場(chǎng)景中的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法，可以實(shí)現(xiàn)約100 dB的自干擾抵消效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文考慮同時(shí)同頻全雙工傳輸場(chǎng)景，針對(duì)加性白高斯噪聲無(wú)線傳播信道，在加性白高斯噪聲無(wú)線自干擾信道中，提出了一種射頻域的自適應(yīng)干擾抵消算法；并分析了該方法的收斂性以及收斂速度。分析和仿真表明，本文提出的射頻域自適應(yīng)干擾抵消算法能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)同頻全雙工場(chǎng)景中的自干擾抵消，并且當(dāng)?shù)介L(zhǎng)越大或單次統(tǒng)計(jì)時(shí)間越短時(shí)，算法的收斂速度越快。本文的研究成果為同時(shí)同頻全雙工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了理論支持。

圖3 不同單次迭代統(tǒng)計(jì)時(shí)間下，干擾抑制比隨迭代時(shí)間的變化

圖4 不同歸一化迭代步長(zhǎng)下，干擾抑制比隨迭代時(shí)間的變化

圖5 不同干信比下，干擾抑制比隨迭代時(shí)間的變化

[1] Rappaport T S, Shu S, Mayzus R,.. Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: it will work![J]., 2013, 1: 335-349.

[2] Cadambe V R and Jafar S A. Degrees of freedom of wireless networks with relays, feedback, cooperation, and full duplex operation[J]., 2009, 55(5): 2334-2344.

[3] Elsayed A, Eltawil A M, and Sabharwal A. Rate gain region and design tradeoffs for full-Duplex wireless communications [J]., 2013, 12(7): 3556-3565.

[4] López-Valcarce R, Antonio-Rodríguez E, Mosquera C,An adaptive feedback canceller for full-duplex relays based on spectrum shaping[J]., 2012, 30(8): 1566-1577.

[5] 張志亮, 羅龍, 邵士海, 等. ADC量化對(duì)同頻全雙工數(shù)字自干擾消除的誤碼率性能分析[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2013, 35(6): 1331-1337.

Zhang Zhi-liang, Luo Long, Shao Shi-hai,Analysis of ADC guantizing affection on SER performance of self-interference canceling common-frequency full-duplex system[J].&, 2013, 35(6): 1331-1337.

[6] Oppenheim A and Schafer R. Discrete Time Signal Processing[M]. 3rd Ed., New Jersey: Prentice Hall Inc, 2009: 183-197.

[7] Choi J I, Jain M, Srinivasan K,.. Achieving single channel, full duplex wireless communication[C]. MobiCom’10, New York, USA, 2010: 1-12.

[8] Radunovic B, Gunawardena D, Key P,.. Rethinking indoor wireless mesh design: low power, low frequency, full-duplex[C]. WIMESH, Boston, Massachusetts, 2010: 1-6.

[9] Jain M, Choi J, Kim T M,Practical, real-time, full duplex wireless[C]. Mobile Computing and Networking, New York, USA, 2011: 301-312.

[10] Hong S, Mehlman J, and Katti S. Picasso: flexible RF and spectrum slicing[C]. SIGCOMM’12, Helsinki, Finland, 2012: 13-17.

[11] Gordon L S. Principles of Mobile Communication[M]. 3rd Ed.,Berlin: Springer, 2011: 198-203.

[12] Andreas F M.Wireless Communications[M]. 2nd Ed., New York: Wiley, 2010: 101-103.

[13] Napolitano A. Generalizations of Cyclostationary Signal Processing: Spectral Analysis and Applications[M]. New York: Wiley, 2012: 45-121.

[14] Boyds S, Stephen P,.. Convex Optimization[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2004: 463-483.

[15] Widrow B, McCool J M, Larimore M,.. Stationary and nonstationary learning characteristics of the LMS adaptive filter[J]., 1976, 64(8): 1151-1162.

[16] Rumberg B and Graham D W. A low-power magnitude detector for analysis of transient-rich signals[J]., 2012, 47(3): 676-685.

王 ?。?女，1988年生，博士生，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信信號(hào)處理、通信抗干擾技術(shù)等.

趙宏志： 男，1978年生，副教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信信號(hào)處理、通信抗干擾技術(shù)、并行化通信信號(hào)處理等.

卿朝進(jìn)： 男，1978年生，副教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線與移動(dòng)通信中的信號(hào)處理、分布式天線系統(tǒng)、時(shí)頻同步、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)闊o(wú)線通信中的信號(hào)處理、傳感器網(wǎng)絡(luò)等.

Adaptive Self-interference Cancellation at RF Domain in Co-frequency Co-time Full Duplex Systems

Wang Jun①Zhao Hong-zhi①Q(mào)ing Chao-jin①②Tang You-xi①

①(,,611731,)②(,,610039,)

In the context of the RF domain self-interference cancellation algorithms in the co-frequency and co-time full duplex system, the current research focuses mainly on the manually adjusting of self-interference parameters. To solve this problem, a RF domain adaptive self-interference cancellation is proposed. On the basis of the self-interference estimation construction within an in-phase and quadrature reference signal channels, the self-interference is reconstructed by searching the optimal weight vector with the method of gradient descending and cancelled at last. In addition, the convergence of the proposed algorithm is analyzed. The analysis and simulation show that the convergent speed is faster when the iterative step size is larger and the statistical time is shorter. The self-interference can decrease almost 100 dB adopting the RF domain adaptive self-interference cancellation algorithm proposed in this paper, when the statistical time is 100 symbol periods, the normalized iterative step is 0.3, the signal to noise ratio is 0 dB, and the interference to signal ratio is 80 dB.

Wireless communication; Co-frequency and Co-time Full Duplex (CCFD); RF self-interference cancellation; Convergence

TN92

A

1009-5896(2014)06-1435-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01187

唐友喜 tangyx@uestc. Edu. cn

2013-08-06收到，2013-12-16改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1035002/L05, 61001087, 61101034, 61271164)，國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX03003010-003, 2014ZX03003001-002)和四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZA161)資助課題