夏世風(fēng)，許銳峰，丁良輝，錢 良，張文軍

(1．上海交通大學(xué) a. 圖像通信與網(wǎng)絡(luò)工程研究所；b．無線通信技術(shù)研究所，上海 200240；2．海軍司令部信息化部，北京 100084)

基于PSP-LMS的MIMO全雙工數(shù)字干擾對消

夏世風(fēng)1a，許銳峰2，丁良輝1a，錢 良1b，張文軍1a

(1．上海交通大學(xué) a. 圖像通信與網(wǎng)絡(luò)工程研究所；b．無線通信技術(shù)研究所，上海 200240；2．海軍司令部信息化部，北京 100084)

提出了一種MIMO同時同頻全雙工系統(tǒng)下的數(shù)字干擾對消算法，綜合考慮了系統(tǒng)非線性對干擾對消的影響。該算法通過基于逐幸存路徑處理的方法，對自干擾信號與待接收信號進(jìn)行聯(lián)合信道估計，采用維特比算法實現(xiàn)自干擾信號數(shù)字對消和待接收信號最大似然接收。通過對MIMO全雙工系統(tǒng)仿真實驗表明，該算法能夠有效抑制系統(tǒng)非線性失真且有著良好的自干擾對消性能。

全雙工MIMO；數(shù)字對消；逐幸存路徑處理；非線性失真

同時同頻全雙工技術(shù)[1]是指在同一個物理信道上同時實現(xiàn)接收和發(fā)送兩個方向的信號傳輸，本地節(jié)點(diǎn)通過消除自身發(fā)射機(jī)的干擾信號，同時接收來自對方節(jié)點(diǎn)的同頻信號。來自發(fā)射器件的自干擾信號極強(qiáng)，而待接收信號相對微弱，兩者之間存在著巨大的信號功率差異，使得待接收信號淹沒在自干擾信號當(dāng)中。該技術(shù)實現(xiàn)的難點(diǎn)在于如何實現(xiàn)大動態(tài)范圍下的自干擾信號對消，以及如何有效抑制系統(tǒng)射頻器件引入的非線性失真。該技術(shù)可以將頻譜效率提高1倍，正逐漸成為無線通信領(lǐng)域的一個新的研究熱點(diǎn)。

美國林肯實驗室于2007年首次明確提出了同時同頻全雙工通信的概念[1]。隨后各國學(xué)者相繼開展了同時同頻全雙工可行性技術(shù)驗證，并重點(diǎn)研究了天線對消、射頻對消、數(shù)字對消等干擾對消技術(shù)[2-6]。射頻對消是通過對自身發(fā)射信號進(jìn)行耦合，經(jīng)過精細(xì)的幅度和相位調(diào)整，產(chǎn)生一個與干擾信號幅度相同、相位相反的干擾對消信號。由于受射頻器件非線性和信道多徑效應(yīng)等因素影響，單靠射頻對消無法完全消除自干擾信號；射頻對消主要目的是緩解系統(tǒng)對ADC過飽及信號幅度過大而引起非線性效應(yīng)的壓力，使自干擾信號衰減到ADC的動態(tài)范圍內(nèi)，進(jìn)而采用數(shù)字干擾對消。

數(shù)字對消[7]通常分為兩步：第一步是針對ADC后的接收信號，基于前導(dǎo)碼進(jìn)行自干擾信道估計；第二步則是根據(jù)已知的自身發(fā)射信號重構(gòu)對消波形，并在接收到的同頻混疊信號中減去該對消信號。影響數(shù)字對消性能的因素由大到小依次為：系統(tǒng)的非線性失真、本振的相位噪聲影響、信道高斯噪聲等。文獻(xiàn)[8-9]針對SISO系統(tǒng)提出了一種考慮發(fā)射機(jī)功放器非線性失真等因素的數(shù)字干擾對消模型，文獻(xiàn)[10]則針對MIMO系統(tǒng)提出了一種考慮系統(tǒng)非線性諧波的數(shù)字干擾對消解決方案。然而上述文獻(xiàn)都是先進(jìn)行數(shù)字干擾對消再進(jìn)行信號檢測，這意味著只能利用每幀數(shù)據(jù)起始位置發(fā)送的獨(dú)占信道或者經(jīng)過獨(dú)特設(shè)計[10]的訓(xùn)練序列進(jìn)行初始信道估計，而由于受信號同頻混疊的影響，無法在每幀數(shù)據(jù)的其他位置進(jìn)行自干擾信道估計與更新。在這種情況下，只能把對方節(jié)點(diǎn)有用信號當(dāng)作噪聲，其對數(shù)字干擾對消性能影響超過了信道高斯噪聲的影響，基于信道初始估計的傳統(tǒng)數(shù)字對消性能將會下降。

本文針對MIMO系統(tǒng)，提出了一種基于PSP-LMS算法的數(shù)字干擾對消算法。該算法充分考慮系統(tǒng)的非線性失真影響，采用自干擾信號和待接收信號聯(lián)合信道估計，使用維特比算法實現(xiàn)自干擾信號數(shù)字對消和待接收信號最大似然接收。并將聯(lián)合信道估計和自適應(yīng)信道估計算法結(jié)合，可獲得更加精確的信道估計，進(jìn)一步降低自干擾信號殘余，從而獲得數(shù)字干擾對消的性能增益。

1 系統(tǒng)模型

以2×1 MIMO系統(tǒng)為例，如圖1所示。發(fā)射端由碼元映射、空時編碼器以及天線發(fā)射等模塊組成，接收端則由射頻對消、非線性失真抑制和數(shù)字干擾對消模塊組成。在接收端，信號首先經(jīng)過基于可調(diào)諧模擬濾波器的射頻干擾對消[10]后，接著利用獨(dú)占信道發(fā)送的已知訓(xùn)練序列，進(jìn)行自干擾信號初始化信道估計，計算系統(tǒng)非線性系數(shù)，然后信號再進(jìn)入到以 PSP-LMS為核心的數(shù)字干擾對消模塊。采用一個等效FIR濾波器模擬自干擾信道，通過基于PSP-LMS算法的自適應(yīng)聯(lián)合信道估計，提升數(shù)字干擾對消性能。

圖1 基于PSP-LMS的MIMO全雙工數(shù)字對消框圖

(1)

一般地，假設(shè)攜帶非線性諧波分量的自干擾信號為zI，將該信號進(jìn)行多項式分解可知，僅其中奇數(shù)階的諧波分量對系統(tǒng)有影響，且其影響隨著階次越高而越小[8]，有

(2)

(3)

(4)

將式(4)展開，忽略3次以上諧波分量以簡化計算，可得

(5)

2 基于PSP-LMS的數(shù)字干擾對消算法

本文提出一種基于PSP-LMS的數(shù)字對消方案，采用維特比算法實現(xiàn)自干擾信號數(shù)字對消和待接收信號最大似然接收，并通過基于逐幸存路徑處理的方法，對自干擾信號與待接收信號進(jìn)行聯(lián)合信道估計，和自適應(yīng)信道估計算法結(jié)合，可獲得更加精確的信道估計，這是本算法的最大優(yōu)勢所在。本文假設(shè)各天線發(fā)送訓(xùn)練序列期間系統(tǒng)獨(dú)占信道，初始化信道估計時可不受同頻混疊干擾，但信道高斯噪聲仍然會疊加。

2.1 非線性系數(shù)估計

(6)

根據(jù)前面的假設(shè)，系統(tǒng)發(fā)射訓(xùn)練序列期間獨(dú)占信道，式(6)可以作進(jìn)一步簡化得

(7)

(8)

將式(8)代入式(7)可得

(9)

(10)

(11)

于是，利用最小二乘法可以估計出非線性系數(shù)為

(12)

3.for給定的迭代次數(shù)do

6. end for

通過非線性系數(shù)初始化估計，重構(gòu)非線性諧波分量，并從接收信號中同時減去自干擾信號的線性分量和非線性分量，有效提升基于PSP-LMS算法中自適應(yīng)信道估計的迭代收斂速度和估計精度，從而提高數(shù)字對消性能。

2.2 逐幸存路徑處理

(13)

從接收到接收信號yk+1中減去該重構(gòu)信號，實現(xiàn)基帶干擾對消。對消后信號表示為

(14)

步驟3，狀態(tài)轉(zhuǎn)移并計算分支度量。對于所有可能的待接收信號狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑，估計誤差為

(15)

(16)

步驟4，計算路徑度量并更新幸存路徑。接著計算所有到達(dá)狀態(tài)sk+1的路徑度量，并根據(jù)最小路徑度量值選取幸存路徑。其路徑度量更新公式為

(17)

合并符合上式的所有分支，將幸存路徑擴(kuò)展為

(18)

步驟5，信道參數(shù)更新。最后利用幸存路徑及幸存序列，基于LMS算法更新信道估計器。信道估計更新表達(dá)式分別為

(19)

(20)

式中：μ為LMS算法的步長，該步長的選取直接影響算法收斂速度以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的均方誤差性能。

步驟6，判斷是否繼續(xù)。結(jié)束則回溯網(wǎng)格圖，得到對方有用信息序列的估計；否則轉(zhuǎn)到步驟2。

3 仿真結(jié)果與分析

待接收信號的誤碼率性能如圖2?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，SISO全雙工系統(tǒng)[7-9]、MIMO全雙工系統(tǒng)[10]是都先基于信道初始化估計數(shù)字干擾對消再進(jìn)行信號檢測，本文將主要和文獻(xiàn)[7]中的數(shù)字對消算法性能作分析對比。假設(shè)采用同等信號發(fā)射功率的情況下，即N發(fā)射天線系統(tǒng)的每路發(fā)射功率分別為單天線系統(tǒng)的N分之一。從圖中可以看出，待接收信號SNR超過15dB時，本文算法明顯好于傳統(tǒng)算法。當(dāng)要達(dá)到10-3的BER性能，對于2×1MIMO系統(tǒng)能夠可獲得1dB性能增益；對于SISO系統(tǒng)可獲得的性能增益超過2dB。

圖2 對方節(jié)點(diǎn)有用信號的誤碼率性能

圖3 自干擾信道估計MSE性能

圖4 基于PSP-LMS的數(shù)字自干擾對消性能

4 小結(jié)

本文提出一種基于PSP-LMS的MIMO全雙工數(shù)字干擾對消算法。實驗表明，本文算法相比傳統(tǒng)算法性能有以下兩方面優(yōu)勢：1)綜合考慮了系統(tǒng)非線性失真影響，通過抑制非線性諧波分量，獲得部分干擾對消增益；2)通過自干擾信號和待接收信號進(jìn)行聯(lián)合信道估計，并結(jié)合基于逐幸存路徑處理的自適應(yīng)迭代算法，實現(xiàn)了更加精確的自干擾信道估計，一步獲得干擾對消增益。該算法不足之處：在于逐幸存路徑處理計算復(fù)雜度較高，且隨著MIMO系統(tǒng)收發(fā)天線數(shù)目增加而大幅增加。通過對算法進(jìn)行改進(jìn)，在提升MIMO系統(tǒng)干擾對消性能的同時減少其計算復(fù)雜度將是下一步工作的重點(diǎn)。

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夏世風(fēng)(1985— )，碩士生，主要研究方向為無線通信；

許銳峰(1979— )，工程師，主要研究方向為無線通信；

丁良輝(1981— )，助理研究員，主要研究方向為無線通信；

錢 良(1974— )，副教授，主要研究方向為無線通信；

張文軍(1963— )，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向通信與信息系統(tǒng)等。

責(zé)任編輯：時 雯

Digital Interference Cancellation using PSP-LMS in Full Duplex MIMO Wireless

XIA Shifeng1a，XU Ruifeng2，DING Lianghui1a，QIAN Liang1b，ZHANG Wenjun1a

(1a.InstituteofImageComm.andNetworkEngineering；1b.InstituteofWirelessComm.Technologies，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China；2.CommandDepartmentofPLANavy，Beijing100084，China)

A novel digital cancellation technique in full duplex MIMO wireless communication systems is proposed in this paper. The effect of non-linear distortions on self- interference cancellation in full duplex systems are considered. The proposed scheme are based on the Viterbi algorithm detection using Per-survivor processing (PSP) to jointly estimate the self-interference channel and the signal-of-interest channel. Simulation results illustrate that the proposed scheme is able to suppress the nonlinear distortion to the level of the significant noise component and has fairly desirable self-interference signal cancellation performance.

full duplex MIMO；digital cancellation；per-survivor processing；non-linear distortions

【本文獻(xiàn)信息】夏世風(fēng)，許銳峰，丁良輝，等.基于PSP-LMS的MIMO全雙工數(shù)字干擾對消[J].電視技術(shù),2015，39(13).

國家自然科學(xué)基金項目(61301117；61221001；61420106008)；上海市數(shù)字媒體處理與傳輸重點(diǎn)實驗室(12DZ2272600)；上海交通大學(xué)科技創(chuàng)新專項資金項目(AF0300021)

TN949.6

A

10.16280/j.videoe.2015.13.031

2014-12-08