孫彥景，左海維，李　松

( 中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院　江蘇 徐州　221116；江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室　江蘇 徐州　221008)

帶內(nèi)全雙工無線通信自干擾消除及MAC調(diào)度研究綜述

孫彥景，左海維，李松

( 中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院江蘇 徐州221116；江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室江蘇 徐州221008)

帶內(nèi)全雙工(in-band full-duplex，IBFD)無線通信允許節(jié)點在同一頻段上同時進(jìn)行發(fā)送和接收，與傳統(tǒng)雙工相比理論上最大可成倍提高頻譜利用率。分析了IBFD無線全雙工通信需要解決的主要技術(shù)問題，系統(tǒng)性地歸納了IBFD無線通信研究現(xiàn)狀。介紹了IBFD無線通信系統(tǒng)模型和關(guān)鍵技術(shù)，特別強(qiáng)調(diào)了自干擾消除方法和媒體接入控制(medium access control，MAC)層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制的研究。最后結(jié)合當(dāng)前研究和應(yīng)用熱點，提出了未來IBFD無線通信發(fā)展趨勢和研究方向。

帶內(nèi)全雙工;MAC協(xié)議;自干擾消除;頻譜利用率;無線通信

無線通信可提供多樣化的信息服務(wù)，隨著移動數(shù)據(jù)量和用戶需求飛速的增加，可分配的無線頻譜資源日益緊張，然而用戶發(fā)展、技術(shù)升級等業(yè)務(wù)都需要以充裕的頻譜資源為基礎(chǔ)。近年來，針對頻譜資源這一制約無線通信發(fā)展的關(guān)鍵問題，研究人員相繼提出很多提高頻譜利用率的新技術(shù)與方法[1-4]。其中，IBFD無線通信允許節(jié)點在同一頻段上同時進(jìn)行發(fā)送和接收，與現(xiàn)有的半雙工(half duplex，HD)、時分雙工和頻分雙工相比，理論上最大可成倍提高頻譜利用率[5]，在無線通信領(lǐng)域備受關(guān)注。

IBFD無線通信的瓶頸性技術(shù)問題，主要是受自干擾信號的影響。無線通信節(jié)點在接收過程中，自干擾信號與遠(yuǎn)端節(jié)點的有用信號相比，功率差值很大，嚴(yán)重制約了接收電路解碼有用信號的性能[2]。受硬件電路設(shè)計及無線傳輸環(huán)境變化等影響，目前尚不能簡單地從接收電路去除自干擾信號。因此，自干擾信號消除成為實現(xiàn)IBFD無線通信首先需要解決的技術(shù)問題。

IBFD無線通信在提高頻譜效率的同時，還使研究人員能夠利用帶內(nèi)全雙工無線通信技術(shù)對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，提升網(wǎng)絡(luò)性能。例如，在無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議中實現(xiàn)碰撞檢測方法的突破，在競爭型網(wǎng)絡(luò)中IBFD節(jié)點在發(fā)送的同時能夠檢測是否有碰撞發(fā)生，能夠接收同一信道其他節(jié)點的即時反饋信息，從而減少無線通信隱藏終端所導(dǎo)致的丟包問題，增加網(wǎng)絡(luò)的公平性和吞吐量[6]。文獻(xiàn)[7]提出綜合半雙工和全雙工技術(shù)的虛擬全雙工無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點鄰居發(fā)現(xiàn)等問題。

隨著IBFD無線全雙工通信研究的深入，其提高頻譜利用率的優(yōu)勢在無線通信領(lǐng)域已被認(rèn)可[2,5,8-10]。Rice、Stanford等國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和院校逐漸開展IBFD及其綜合性應(yīng)用的研究工作。尤其在發(fā)送功率較低的短距離無線通信應(yīng)用中，自干擾信號影響較小，為IBFD的發(fā)展應(yīng)用提供了有利條件。Rice大學(xué)提出的分布式全雙工和Northwestern大學(xué)提出的虛擬全雙工[11-12]，實現(xiàn)全雙工設(shè)備與半雙工設(shè)備之間的無線通信，為IBFD基站和傳統(tǒng)雙工小型移動設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)建提供了可行性。

隨著IBFD在實驗室環(huán)境下的研究逐漸深入，研究人員開始嘗試向?qū)嵱眯訧BFD的方向發(fā)展，將IBFD應(yīng)用到多用戶網(wǎng)絡(luò)中來提高網(wǎng)絡(luò)容量[13-15]，把IBFD與認(rèn)知無線電、5G和MIMO等其他提高頻譜效益技術(shù)的研究相結(jié)合開展研究[16-18]，研究結(jié)果進(jìn)一步證明了IBFD能夠與其他無線通信技術(shù)結(jié)合，提高頻譜利用率。

本文首先分析了IBFD無線全雙工通信主要的技術(shù)問題，并介紹了國內(nèi)外相關(guān)研究內(nèi)容與技術(shù)，系統(tǒng)性地歸納了IBFD無線通信的研究現(xiàn)狀。在IBFD無線通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，從物理層(physical layer，PHY)自干擾消除和MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制兩方面進(jìn)行了分析和對比。最后，結(jié)合當(dāng)前的研究和應(yīng)用熱點提出了未來IBFD無線通信發(fā)展趨勢和主要研究方向。

1　IBFD無線通信問題

IBFD單節(jié)點無線通信如圖1所示，節(jié)點接收天線Rx在接收來自遠(yuǎn)端節(jié)點發(fā)送的有用信號的同時，也會接收來自自身節(jié)點發(fā)射天線Tx發(fā)送出去的信號，此信號稱為自干擾信號。遠(yuǎn)端節(jié)點有用信號在無線傳輸過程中大幅衰減，被Rx接收的遠(yuǎn)端節(jié)點有用信號遠(yuǎn)小于來自發(fā)射天線的大功率自干擾信號，使得節(jié)點難以解碼有用信號[19-20]。因此，要保證IBFD節(jié)點在同一頻段同一時間發(fā)送和接收無線信號，首先需要解決消除自干擾信號這一難題。

下面以蜂窩系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，假設(shè)手機(jī)為IBFD無線通信節(jié)點，理想情況下手機(jī)與基站無線通信時，手機(jī)輸出信號強(qiáng)度一般約為+20 dBm，接收自基站的有用信號強(qiáng)度衰減至?90 dBm，如圖1所示。假設(shè)自干擾信號強(qiáng)度受天線隔離影響可減小至+10 dBm，手機(jī)接收到的自干擾信號功率將是基站有用信號功率的109倍，甚至更多，此時接收電路根本無法解碼有用信號。需要將自干擾信號功率降低到?90 dBm甚至完全消除，接收電路才能正常工作。因此，IBFD無線通信過程首要的任務(wù)就是消除自干擾信號。

圖1 IBFD單節(jié)點無線通信問題描述

對于自身節(jié)點而言，自干擾信號內(nèi)容和調(diào)制方式是可知的。自干擾信號消除的思想和方法來源于較為成熟的回波抵消技術(shù)[10]，接收電路可以此為依據(jù)進(jìn)行自干擾消除，理論上較容易解決。但實際上IBFD無線通信的自干擾信號并不能完全消除，主要原因有：1)自干擾消除電路和算法設(shè)計不足，不能夠?qū)⒆愿蓴_信號的功率降低至不影響有用信號解碼的水平；2)無法精確模擬無線自干擾傳播信道狀態(tài)，接收電路不能徹底去除經(jīng)衰減和延時的自干擾信號。

自干擾信號的存在嚴(yán)重制約了在同一頻段上同時發(fā)送和接收信號，也是長久以來阻礙傳統(tǒng)雙工向帶內(nèi)全雙工發(fā)展的主要原因之一。為實現(xiàn)IBFD無線通信，需要研究自干擾消除方法，在IBFD無線通信電路中增加自干擾消除模塊，逐層消除自干擾信號使其降低至不影響有用信號正常解碼的水平。當(dāng)前的自干擾消除方法主要分為被動消除(passive suppression)和主動消除(active cancellation)[21]，具體消除方法和過程將在第4節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2　IBFD無線通信研究現(xiàn)狀

實際上，無線全雙工及其干擾抵消關(guān)鍵技術(shù)的概念于20世紀(jì)40年代就已應(yīng)用在雷達(dá)領(lǐng)域。連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)使用兩個分離天線或單個天線同時發(fā)送和接收信號，且工作范圍不受限制，成為雷達(dá)領(lǐng)域主流研究對象。但是，同時發(fā)送和接收信號導(dǎo)致的自身發(fā)射機(jī)泄漏問題嚴(yán)重干擾了有用信號的接收，是連續(xù)波雷達(dá)研究過程中必須解決的技術(shù)難題。文獻(xiàn)[22]將自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)應(yīng)用于短波和超短波通信，解決了同址干擾問題，提高了頻譜利用率。該技術(shù)于1993年還獲得了國防專利。早期消除泄漏干擾的方法主要依賴增加干擾信號無線傳播路徑的損耗，2000年之后，關(guān)于連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)泄漏干擾消除的研究更加細(xì)化，出現(xiàn)了自適應(yīng)消除、反射功率補償消除和數(shù)字消除等多種方法[23-24]。

雷達(dá)系統(tǒng)全雙工技術(shù)的使用為IBFD無線通信奠定了理論基礎(chǔ)，研究人員開始考慮將IBFD應(yīng)用于中繼、蜂窩通信和WiFi等無線通信系統(tǒng)。對于小型蜂窩通信和WiFi等短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)，雖然一些早期研究指出IBFD的應(yīng)用潛力，但當(dāng)時的自干擾消除技術(shù)不夠成熟，以增加收發(fā)天線間的物理分離的消除為主[25]，實驗效果并不理想，IBFD應(yīng)用于小型無線通信網(wǎng)絡(luò)的可行性令人難以信服。2009年，微軟公司實驗室環(huán)境測試結(jié)果證實了IBFD確實能夠提高WiFi無線網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提出室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)能夠使用低載波頻率、低發(fā)射功率和單波段全雙工傳輸?shù)乃枷隱8]。2010年，Rice大學(xué)在NSF資助下構(gòu)建了采用Xilinx硬件的WARP(wireless open-Access research platform)平臺，用于開發(fā)IBFD實用性的無線通信系統(tǒng)，目前已被全球125個研究機(jī)構(gòu)和組織使用，WARPv3開發(fā)平臺如圖2所示[26]。Stanford和Aalto等院校也逐漸展開相關(guān)研究工作[9-10]，掀起了蜂窩通信和WiFi等無線網(wǎng)絡(luò)中IBFD應(yīng)用研究的熱潮。

圖2 WARPv3開發(fā)平臺

考慮自干擾信號對IBFD無線通信的影響，研究人員首先在實驗室測試環(huán)境下，從IBFD硬件電路和傳播模型設(shè)計開始，對各種自干擾消除電路和技術(shù)開展研究。自干擾消除的研究大致分為3個階段：尋找最適合小型無線通信網(wǎng)絡(luò)的自干擾消除方法，其中包括物理隔離、模擬消除和數(shù)字消除等方法的研究[20,27]；研究最小化剩余自干擾信號量的方法，其中包括各消除方法之間的關(guān)系以及剩余自干擾信號量對接收電路各模塊影響的分析[21,28]；研究影響自干擾消除過程的因素，其中包括相位噪聲和非線性失真等因素的分析[29-30]。

IBFD的實現(xiàn)對無線通信領(lǐng)域具有重要意義，為充分發(fā)掘其潛在價值，除了自干擾消除電路和算法的設(shè)計之外，IBFD的研究與設(shè)計還需要充分考慮MAC層及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)層次之間的協(xié)同關(guān)系，以進(jìn)一步提升整體網(wǎng)絡(luò)性能。其中包括無線資源調(diào)度算法、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議等的設(shè)計，例如鄰居發(fā)現(xiàn)和交互廣播等[31-33]。在PHY層和MAC層研究基礎(chǔ)上做IBFD無線通信性能分析和實驗仿真驗證，評估IBFD無線通信可提供的實際效益。

然而，即便克服了設(shè)計上的挑戰(zhàn)，并不是每種通信節(jié)點都適用IBFD，例如手機(jī)等小型移動設(shè)備采用IBFD無線通信仍然存在問題，限制了IBFD的應(yīng)用范圍。但是，隨著無線網(wǎng)絡(luò)對速度的要求以及全雙工通信技術(shù)的不斷成熟，無線通信向帶內(nèi)全雙工演進(jìn)是個必然趨勢。分布式全雙工和虛擬全雙工的提出表明了半雙工與全雙工綜合使用的可能性[11-12]，為今后無線通信網(wǎng)絡(luò)添加和替換IBFD節(jié)點提供了基礎(chǔ)性研究。另外，IBFD與認(rèn)知無線電、5G等其他提高頻譜利用率技術(shù)的結(jié)合也說明了IBFD擁有廣闊的應(yīng)用前景[16-17]。

隨著國內(nèi)外院校和科研機(jī)構(gòu)對IBFD無線通信的不斷深入研究，PHY層自干擾消除方法和MAC層協(xié)議及調(diào)度算法已經(jīng)在仿真實驗和測試平臺中得到驗證和應(yīng)用。目前國際上多個研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始了IBFD的相關(guān)研究與探索，其中包括Rice大學(xué)[2,12]、Stanford大學(xué)[20,34]、Northwestern大學(xué)[11,35]、Aalto大學(xué)[10,36]、Microsoft公司[31,37]、韓國信息技術(shù)研究中心-ITRC[38-39]和Xilinx公司等。此外，我國的多家院校及研究機(jī)構(gòu)如電子科技大學(xué)[40-41]、北京大學(xué)[42-43]、西安電子科技大學(xué)[44-45]、北京科技大學(xué)[46-47]、北京郵電大學(xué)[48-49]、中國信息通信研究院[50]、中國移動、華為公司等也對該領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。其中Rice、Stanford、Microsoft、Xilinx和電子科技大學(xué)主要集中于IBFD自干擾信號消除技術(shù)的研究，Aalto和北京大學(xué)主要涉及IBFD MIMO無線通信技術(shù)研究，北京科技大學(xué)和北京郵電大學(xué)研究重點為IBFD中繼無線通信技術(shù)，西安電子科技大學(xué)主要研究IBFD D2D無線通信技術(shù)。本文選取具有代表性的Rice、Stanford、Aalto和電子科技大學(xué)在IBFD方面的研究成果，對相關(guān)研究重點、主要研究內(nèi)容及成果、技術(shù)優(yōu)勢等進(jìn)行對比分析，如表1所示。具體技術(shù)及對應(yīng)文獻(xiàn)將在第4節(jié)進(jìn)行介紹。

表1 Rice，Stanford，Aalto和電子科技大學(xué)IBFD研究重點及成果對比

3　IBFD無線通信模型

3.1IBFD無線通信節(jié)點模型

IBFD無線通信節(jié)點電路一般包括以下幾個主要信號處理模塊：編碼調(diào)制、解調(diào)解碼、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter，DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)、發(fā)送射頻(Txradio)和接收射頻(Rxradio)?；鶐?baseband，BB)信號通過Txradio上變頻轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l(radio frequency，RF)信號。RF信號通過Rx radio下變頻轉(zhuǎn)變?yōu)锽B信號。發(fā)送比特流xi[n]在數(shù)字域進(jìn)行編碼調(diào)制，再經(jīng)過DAC、上變頻處理后饋入發(fā)射天線Tx。接收天線Rx接收的信號經(jīng)過下變頻、ADC和解調(diào)解碼后獲得接收比特流yi[n][21,27,34,36]。接收電路中各類自干擾消除模塊和技術(shù)依次對接收信號進(jìn)行處理，在通信節(jié)點電路模型中的作用位置如圖3所示。

圖3 IBFD通信節(jié)點電路模型

天線消除(antenna cancellation)通過增加收發(fā)天線間傳輸損耗的方式最大化自干擾信號在無線信道中的衰減量，但僅依靠天線消除尚不能完全抑制自干擾信號，還需要結(jié)合其他消除技術(shù)在接收電路逐層消除。首先在模擬域?qū)F信號或者BB信號進(jìn)行消除(analog cancellation，模擬消除)，抵消部分自干擾信號，然后在數(shù)字域?qū)DC轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字BB信號再次進(jìn)行消除(digital dancellation，數(shù)字消除)，消除剩余自干擾信號。

IBFD無線通信的實現(xiàn)首先需要有自干擾消除技術(shù)和硬件電路的支持，因此PHY層自干擾消除方法的研究至關(guān)重要。另外，為充分發(fā)掘和利用IBFD特性，研究人員還需對MAC層及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)層次的協(xié)議和調(diào)度機(jī)制進(jìn)行研究。

3.2IBFD無線通信模型及性能分析

下面以Stanford和Rice的IBFD研究為例，對IBFD單節(jié)點無線通信電路和信道模型進(jìn)行性能分析，簡化模型如圖4所示[70]，其中陰影部分為模擬消除電路。在兩類模型中，x為節(jié)點發(fā)送信號，y為自干擾消除后接收信號，e為發(fā)送電路噪聲，n和q分別為節(jié)點接收電路熱噪聲和量化噪聲，hI為無線自干擾信道沖激響應(yīng)，hC為發(fā)送端消除電路有線信道沖激響應(yīng)。

圖4 Stanford和Rice大學(xué)IBFD無線通信模型

由圖4a可知，Stanford模型直接對發(fā)送電路的RF信號進(jìn)行處理。在發(fā)送端模擬hI，使hC趨近于hI，發(fā)送信號有線傳輸?shù)浇邮针娐吠愿蓴_信號相加，完成抵消過程。接收電路經(jīng)模擬消除后剩余自干擾信號量zS為：

式中，hS= hI?hC為模擬hI時信道估算誤差。假設(shè)模擬消除后與消除前的自干擾信號功率比為βS，對于任意hS和hI，可知：

式中，E[·]為期望算子，基于時間τ積分。由式(2)可知，估算誤差hS越小，βS值越小，理想值為0。因此，Stanford模型的模擬消除量受估算準(zhǔn)確度的影響較大。

Rice模型的消除電路首先對發(fā)送電路的數(shù)字信號進(jìn)行處理。發(fā)送端消除電路與發(fā)送電路硬件配置相同，數(shù)字信號經(jīng)過消除電路ADC、上變頻等處理后，有線傳輸?shù)浇邮针娐放c自干擾信號進(jìn)行抵消，如圖4b所示，其中，k為發(fā)送端消除電路數(shù)字補償，理想情況下?khC= hI。接收電路經(jīng)模擬消除后剩余自干擾信號量zR為：

式中，hR= hI– khC為信道估算誤差。對于任意hR和hI，可知模擬消除后與消除前的自干擾信號功率比為：

由式(5)可知，發(fā)送電路噪聲e越小，βR值越小，理想值為0。因此，Rice模型的模擬消除量受發(fā)送端噪聲的影響較大。

綜合上述分析，由式(1)分析可知，如果估算誤差很小，Stanford模型zS中的發(fā)送電路噪聲e可以同時去除，在數(shù)字域也更加容易實現(xiàn)數(shù)字消除，這是Stanford模型優(yōu)勢之一。但同時也存在一個問題，在模擬無線信道時，hC中還包括了有用信號傳輸信道，而目前數(shù)字消除算法尚沒有指出如何處理有用信號部分，從而影響Stanford模型數(shù)字消除效果。由式(3)分析可知，即便信道估算誤差很小，也不能去除Rice模型zR中發(fā)送端噪聲e的影響，增加了數(shù)字消除的難度。為了在數(shù)字消除階段有更好的消除效果，Rice模型必須在模擬消除階段把自干擾信號影響盡可能降低到最小，所以Rice模型主動消除過程主要依靠模擬消除。另外，無論是Stanford模型還是Rice模型中，相移等不理想因素都會影響模擬域自干擾消除效果，具體相關(guān)影響因素將在第4.1.3節(jié)進(jìn)行介紹。

4　IBFD無線通信技術(shù)

當(dāng)前IBFD無線通信技術(shù)的研究重點主要集中在PHY層自干擾消除方法和MAC層及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)層次協(xié)議的研究和性能評估。

4.1自干擾消除方法

自干擾消除可分為被動消除和主動消除兩類，被動消除以天線消除為主，主動消除又可分為模擬消除和數(shù)字消除兩類。被動消除通過增加自干擾信號在無線傳播路徑上的損耗達(dá)到消除效果。主動消除則在接收電路中利用消除電路和算法等對自干擾信號進(jìn)行抵消，進(jìn)一步完成自干擾消除工作。

4.1.1天線消除

天線消除技術(shù)通過合理設(shè)置發(fā)送和接收天線數(shù)量、天線間距、天線方向以及天線位置等參數(shù)，最大化自干擾信號在無線傳播路徑上的衰減量[21]。以下針對不同天線參數(shù)對天線消除技術(shù)進(jìn)行分析。

1)天線數(shù)量

Stanford大學(xué)針對天線數(shù)量的影響對IBFD自干擾消除方法進(jìn)行研究。最初在單節(jié)點使用了3副天線[9]，兩發(fā)送天線到接收天線之間距離設(shè)置半載波波長差，使接收到的自干擾信號因π相位差而相互抵消，如圖5a所示。實驗結(jié)果表明，此天線消除方法可以抵消20～30 dB的自干擾信號。文獻(xiàn)[71]提出的天線消除方法也使用了3副天線，對其中一路接收信號做π移位處理，達(dá)到抵消目的。

上述天線消除方法不僅需要3副天線，而且需要人工調(diào)諧。文獻(xiàn)[20]對此做了改進(jìn)，僅使用兩副天線，如圖5b所示。使用Balun轉(zhuǎn)換器為接收電路提供RF參考信號，且在接收信號強(qiáng)度指示器(received signal strength indicator，RSSI)的協(xié)助下完成自調(diào)諧功能。20 cm天線間距、3 dBI全方向天線測試條件下，可達(dá)到40 dB的自干擾消除量。

文獻(xiàn)[34]結(jié)合隔離電路，僅使用單天線完成IBFD天線消除的方法，如圖5c所示。該方法直接去除了無線自干擾信號回路，在發(fā)送電路和接收電路之間添加了一個帶有三端口環(huán)形器的隔離電路，能夠有效隔離發(fā)送電路RF信號的饋入。實驗結(jié)果表明此單天線消除可完成15 dB的自干擾消除量。

2)天線間距、方向和位置優(yōu)化

天線間距、方向和位置對天線消除效果的影響較為明顯。文獻(xiàn)[2]中分析了發(fā)送天線和接收天線間距和角度對天線消除量的影響，研究結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)的兩天線間距越大，傳播路徑上衰減越大，可獲得的自干擾消除量也就越大。文獻(xiàn)[51]以配有定向天線的基站和移動臺為研究對象，在10 m距離、12 dBm發(fā)射功率測試環(huán)境下，基站收發(fā)天線夾角大于45°時，自干擾信號無線傳播路徑損耗較大。文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[21]中關(guān)于收發(fā)天線位置對天線消除影響的研究結(jié)果表明，收發(fā)天線分別置于設(shè)備兩側(cè)時，獲得的自干擾信號消除量高于其他位置配置情況。文獻(xiàn)[53]對收發(fā)天線間距、角度和位置進(jìn)行最佳配置，最小化IBFD節(jié)點鄰近天線的影響，實現(xiàn)了70 dB的自干擾消除量。

圖5 基于天線數(shù)量的天線消除方法

4.1.2 模擬消除和數(shù)字消除

為進(jìn)一步消除自干擾信號使其降低到不影響有用信號解碼水平，天線消除之后還需要對自干擾信號進(jìn)行模擬消除和數(shù)字消除。

1)模擬消除

模擬消除是指接收電路獲得信號后在模擬域內(nèi)對自干擾信號進(jìn)行消除的方法。模擬消除可分為直接耦合和間接耦合兩類，圖4所示的兩種IBFD無線通信模型中，Stanford模型屬于直接耦合方法，Rice模型屬于間接耦合方法。

直接耦合模擬消除方法將發(fā)送電路RF信號經(jīng)延時、衰減處理后，通過有線鏈路傳輸?shù)浇邮针娐?，用于抵消自干擾信號。典型直接耦合方法如文獻(xiàn)[20]的Balun模擬消除方法，如圖6所示。其采用動態(tài)元件QHx220噪聲消除芯片將Balun反轉(zhuǎn)后的RF信號?xRF分解為同相(gi)和正交(gq)兩個分向量信號。結(jié)合RSSI和梯度下降算法對gi和gq進(jìn)行調(diào)控，模擬自干擾信號無線傳播過程，在接收電路與自干擾信號相加進(jìn)行抵消。測試結(jié)果表明，輸入功率為?60 dBm時，此方法可抵消約30 dB的自干擾信號量。但是當(dāng)輸入功率大于?40 dBm時，QHx220會造成非線性失真，影響模擬消除本身效果的同時也會減少數(shù)字自干擾消除量。

圖6 使用QHx220的Balun模擬消除模塊圖

間接耦合模擬消除方法利用一條額外的有線鏈路產(chǎn)生與原始信號有相同信道衰落的RF信號，有線傳輸?shù)浇邮针娐泛笈c自干擾信號進(jìn)行相消。文獻(xiàn)[21]將原始信號分成兩路傳輸，一路經(jīng)DAC、上變頻等處理之后無線發(fā)送，另一路負(fù)信號經(jīng)相同處理后，通過模擬了無線傳播路徑的有線信道傳輸至接收電路，使用RF加法器與自干擾信號進(jìn)行抵消，達(dá)到消除目的。之后Rice大學(xué)對文獻(xiàn)[21]方法進(jìn)行改進(jìn)，將高階濾波器及單載波消除方法應(yīng)用到模擬消除過程中[53]，進(jìn)一步增加了模擬消除量。

2)數(shù)字消除

數(shù)字消除是指模擬消除之后在數(shù)字域?qū)κＳ嘧愿蓴_信號進(jìn)一步消除的方法，可利用數(shù)字算法和數(shù)字濾波器等進(jìn)行信道估算。

典型的應(yīng)用于IBFD數(shù)字消除的算法有自適應(yīng)梯度下降算法[72]、最小二乘參數(shù)估算法[63]、最小均方算法、歸一化均方算法和遞歸最小均方誤差算法[73]等。文獻(xiàn)[72]提出一種基于自適應(yīng)梯度下降的數(shù)字算法，利用MIMO中繼的有用信號估算自干擾信道，消除IBFD中繼的自干擾信號。在低信噪比和收斂時間約束的測試環(huán)境下，對此算法靜態(tài)節(jié)點和平均收斂參數(shù)的影響進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明該數(shù)字消除方法可平均消除28.6 dB的自干擾信號量。文獻(xiàn)[63]提出基于寬線性最小二乘參數(shù)估算的數(shù)字自干擾消除方法，在適當(dāng)使用天線消除和模擬消除的情況下，該方法的數(shù)字自干擾消除量高達(dá)40～50 dB。文獻(xiàn)[74]在數(shù)字消除算法基礎(chǔ)上，還在電路中添加了最小均方(least mean square，LMS)自適應(yīng)濾波器。將接收電路上ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號分成兩路，一路通過LMS濾波器進(jìn)行智能延時處理之后與另一路正常傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行疊加相消，達(dá)到數(shù)字消除目的。

除數(shù)字算法和數(shù)字濾波器的方法之外，部分文獻(xiàn)還介紹了其他IBFD無線通信數(shù)字消除方法。文獻(xiàn)[9]使用直接序列擴(kuò)頻的自干擾信號，對擴(kuò)頻信號進(jìn)行相干檢測，得到自干擾信道的延時和衰減量。文獻(xiàn)[75]對比分析了基于偽噪聲序列的信道估算以及基于干擾信號的信道估算的性能，由于偽噪聲序列具有良好的互相關(guān)與自相關(guān)性，前者信道估算結(jié)果和自干擾消除效果都優(yōu)于后者。

3)模擬消除和數(shù)字消除的均衡問題

研究發(fā)現(xiàn)，模擬消除和數(shù)字消除之間存在均衡性和相關(guān)性。文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[27]提出，主動消除平均量隨著接收的自干擾信號功率的增加而增加，數(shù)字消除有時甚至?xí)黾幼愿蓴_信號量，數(shù)字消除的效果取決于上一階段模擬消除的效果。文獻(xiàn)[28]分析了模擬消除與數(shù)字消除在全雙工MIMO-OFDM收發(fā)器中的作用，公式推導(dǎo)及仿真結(jié)果表明，數(shù)字消除并不總是有益，當(dāng)接收器飽和之后數(shù)字消除將失去作用。

綜合上述分析，自干擾消除的主要分類及相關(guān)研究文獻(xiàn)總結(jié)如圖7所示。

4.1.3影響自干擾消除的因素

IBFD無線通信自干擾消除過程會受發(fā)送和接收電路中電子組件產(chǎn)生的線性/非線性失真、相位噪聲等未知信號的影響[70]。下面介紹影響自干擾消除的幾個因素：

圖7 IBFD自干擾消除方法分類

1)本機(jī)振蕩器相位噪聲

IBFD節(jié)點收發(fā)器的本機(jī)振蕩器相位噪聲限制了自干擾主動消除量[76]。除了提高振蕩器質(zhì)量，減少混頻器的相位噪聲系數(shù)以及縮短處理延時時間等方法也可以進(jìn)一步提高自干擾消除量[29,61]。另外，收發(fā)電路振蕩器配置對自干擾消除也有影響。文獻(xiàn)[62]比較了在發(fā)送電路和接收電路使用同一振蕩器和獨立振蕩器兩種配置下相位噪聲的影響，結(jié)果表明前一配置自干擾消除量明顯高于后一配置。

2)非線性失真

對于非線性IBFD系統(tǒng)，自干擾信號與有用信號之間的大功率差還導(dǎo)致了發(fā)送和接收電路非線性失真問題[30]?？梢岳脭?shù)字消除方法，減小非線性失真對自干擾消除的影響。文獻(xiàn)[52]提出一種結(jié)合迭代技術(shù)的數(shù)字消除方法，有效抑制發(fā)送和接收電路的非線性失真的同時，還使系統(tǒng)性能更加接近線性IBFD系統(tǒng)，易于分析。文獻(xiàn)[36]利用非線性數(shù)字消除算法得出系統(tǒng)非線性部分的推導(dǎo)方式，傳輸信號及無線信道不變環(huán)境下的測試結(jié)果表明，非線性數(shù)字消除算法在高傳輸功率下可獲得更高的信噪比。

3)動態(tài)范圍受限

Aalto大學(xué)在對全雙工MIMO中繼的研究中提出，接收電路動態(tài)范圍有限，影響自干擾信號消除過程[77]。針對這一問題，文獻(xiàn)[78]利用帶有動態(tài)范圍限制和導(dǎo)頻輔助信道估算性能的顯式高斯模型，根據(jù)IBFD節(jié)點通信總速率計算出隨導(dǎo)頻數(shù)量增加而變化的動態(tài)范圍上下界，提出基于下邊界最大值的傳輸優(yōu)化方法，其數(shù)值優(yōu)化結(jié)果表明IBFD性能明顯優(yōu)于半雙工。

4)I/Q不平衡

IBFD無線通信的發(fā)送和接收電路中，I/Q不平衡問題會影響自干擾信道模擬的準(zhǔn)確度[63]。針對I/Q不平衡問題，文獻(xiàn)[79]在IBFD節(jié)點接收電路中添加二階迭代回波消除器，并從發(fā)送電路功率放大器輸出端獲取自干擾消除參考信號，進(jìn)行I/Q誤差估算和補償操作。該方法在有效解決I/Q不平衡問題的同時，還減小了功率放大器非線性對自干擾消除的影響。

5)ADC器件

文獻(xiàn)[28]提出如果自干擾信號強(qiáng)度經(jīng)過模擬消除后能夠降低到ADC動態(tài)范圍內(nèi)，那么IBFD將更容易進(jìn)行數(shù)字消除。ADC位數(shù)、干信比、量化判決準(zhǔn)則等因素直接影響干擾消除效果和系統(tǒng)誤碼性能，文獻(xiàn)[40]推導(dǎo)了這3個因素對誤碼率影響的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，隨著干信比的減小和ADC位數(shù)的增加，誤碼率性能呈宏觀改善趨勢，且數(shù)字消除效果得到優(yōu)化。

4.2MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制

目前，自干擾消除等物理層通信技術(shù)日漸成熟并建立了一定的發(fā)展體系，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點同時同頻發(fā)送和接收的功能。然而，若要進(jìn)一步實現(xiàn)多節(jié)點之間IBFD無線通信，還需要IBFD無線通信MAC協(xié)議及調(diào)度機(jī)制的支持。IBFD無線通信同一頻段同時進(jìn)行發(fā)送和接收的特性，允許發(fā)送節(jié)點能夠在發(fā)送信號的同時偵聽來自接收節(jié)點的消息，確定為沖突通知后便立刻停止傳輸；接收節(jié)點一旦發(fā)現(xiàn)碰撞發(fā)生，能夠第一時間發(fā)送消息告知發(fā)送節(jié)點[20]。IBFD無線通信的MAC層研究將有助于減少隱藏終端所導(dǎo)致的丟包問題，緩解網(wǎng)絡(luò)延時等問題，進(jìn)一步提高IBFD性能。

現(xiàn)有WLAN的802.11協(xié)議CSMA/CA僅有沖突避免而沒有沖突檢測功能，發(fā)送節(jié)點只有在完成整個發(fā)送過程之后才能根據(jù)所得ACK數(shù)量推斷是否有碰撞發(fā)生并重新發(fā)送出錯數(shù)據(jù)包，不能解決網(wǎng)絡(luò)中隱藏終端造成的信道資源浪費問題。在WLAN中直接使用帶有沖突檢測的CSMA/CD協(xié)議將面臨的技術(shù)難題主要有：1)無線發(fā)送節(jié)點不能在同一頻段上同時進(jìn)行信號發(fā)送和沖突偵聽；2)發(fā)送節(jié)點周圍的任一信道動態(tài)都不能作為接收節(jié)點的沖突指示。因此CSMA/CD協(xié)議不能完全適用于無線通信系統(tǒng)。

IBFD克服了無線通信自碰撞的調(diào)度約束，在解決隱藏終端問題，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量和公平性等方面具有較大潛力。當(dāng)前關(guān)于IBFD無線通信MAC層的研究主要有MAC協(xié)議和調(diào)度機(jī)制的研究。

4.2.1MAC協(xié)議

IBFD無線通信MAC協(xié)議的研究多以標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議為基礎(chǔ)，對MAC通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、ACK和RTS/CTS等進(jìn)行研究和設(shè)計，實現(xiàn)IBFD無線通信功能。

1)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[20]以CSMA/CA協(xié)議為基礎(chǔ)，在回復(fù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中添加預(yù)定義忙音數(shù)據(jù)段，并結(jié)合IBFD的即時回復(fù)性能，有效緩解了無線通信隱藏終端問題。文獻(xiàn)[31]提出的MAC協(xié)議ContraFlow也使用了忙音。該文獻(xiàn)就ContraFlow的雙鏈路訪問控制和分布式調(diào)度算法中如何避免碰撞、忙音的使用以及第二接收器的選擇等問題進(jìn)行了研究與設(shè)計，緩解隱藏終端問題的同時還增加了節(jié)點自適應(yīng)調(diào)度和空間復(fù)用的能力。文獻(xiàn)[80]提出一種帶有沖突通知的載波偵聽多路訪問(carrier sense multiple access with collision notification，CSMA/CN)技術(shù)，在源節(jié)點數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)碼與信頭之間添加一段僅互相通信雙方可知的專屬簽名序列，出現(xiàn)沖突時目的節(jié)點會檢測此簽名序列并將其作為沖突通知立刻反饋給源節(jié)點，源節(jié)點收到通知后中止發(fā)送。

2)ACK和RTS/CTS

文獻(xiàn)[81]提出一種即時ACK的MAC協(xié)議方案，源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，一旦數(shù)據(jù)包頭部被正確接收，目的節(jié)點便在接收數(shù)據(jù)包的同時立刻返回ACK消息，錯誤接收時則立刻返回NACK消息并終止接收。該方法還使用即時NACK處理幀丟失，所以在丟包率較高的情況下，該方法性能衰落也相對較小。文獻(xiàn)[82]基于IEEE802.11的RTS/CTS協(xié)議，提出適用于IBFD無線通信的MAC協(xié)議。信道空閑時，源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送RTS，目的節(jié)點一旦開始接收RTS便立刻返回CTS，通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點收到此RTS或CTS信號后保持沉默。建立連接后，源節(jié)點傳輸期間為目的節(jié)點保留信道，所以目的節(jié)點傳輸時不需要再次進(jìn)行RTS/CTS信道預(yù)留。文獻(xiàn)[66]基于3次握手機(jī)制提出一種RTS/FCTS(full-duplex CTS)訪問機(jī)制，同時支持IBFD無線通信雙向鏈路和單向鏈路傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時有效解決了隱藏終端問題。

3)通信過程

文獻(xiàn)[83]提出分布式訪問全雙工MAC協(xié)議，針對IBFD通信特點對路徑建立和數(shù)據(jù)傳輸通信過程進(jìn)行整體設(shè)計，并建立有限狀態(tài)離散時間馬爾科夫模型對協(xié)議過程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和驗證。文獻(xiàn)[84]認(rèn)為IBFD具有沖突檢測和沖突干擾等潛在性機(jī)制，并基于這些機(jī)制提出應(yīng)用于全雙工正交頻分多址無線網(wǎng)絡(luò)的帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議(fullduplex CSMA with collision detection，F(xiàn)D-CSMA/ CD)，描述了子信道隨機(jī)訪問時正常成功傳輸、沖突檢測和沖突干擾等通信協(xié)議過程。

對于集中式、分布式和多跳IBFD無線網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的HD無線網(wǎng)絡(luò)不同，已有的HD MAC協(xié)議不能完全適用于IFBD無線環(huán)境。主要存在的問題有：

1)當(dāng)集中式網(wǎng)絡(luò)AP節(jié)點與兩個client終端進(jìn)行IBFD無線傳輸時，若這兩個client終端彼此為暴露終端，則存在節(jié)點間干擾問題，下行鏈路接收器將不能正確接收有用信號。而已有的HD MAC協(xié)議不能幫助解決節(jié)點間干擾等問題，限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提升。因此需要研究集中式IBFD無線網(wǎng)路的MAC協(xié)議。文獻(xiàn)[55]提出了一種應(yīng)用于集中式IBFD無線網(wǎng)絡(luò)的PoCMAC協(xié)議，其在控制幀中添加信干燥比信息，幫助通信節(jié)點進(jìn)行功率控制，在抑制節(jié)點間干擾的同時提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2)傳統(tǒng)HD MAC協(xié)議無法幫助網(wǎng)絡(luò)節(jié)點識別通信節(jié)點的傳輸模式(HD傳輸或IBFD傳輸)。文獻(xiàn)[85]對分布式IBFD無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模式進(jìn)行了分類，分別為HD模式、同步IBFD模式、基于目的節(jié)點的IBFD異步模式和基于源節(jié)點的IBFD異步模式，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行IBFD MAC協(xié)議設(shè)計。

3)將標(biāo)準(zhǔn)RTS/CTS應(yīng)用于多跳IBFD無線網(wǎng)絡(luò)，需要使用多次信道接入完成鏈路建立，增加了網(wǎng)絡(luò)延時。文獻(xiàn)[83]在其設(shè)計的DFD-MAC協(xié)議的控制幀中添加通信節(jié)點上一跳及下一跳節(jié)點的MAC地址，在接入下一跳節(jié)點的同時回復(fù)上一跳節(jié)點的請求。該方法可通過一次信道接入完成多個節(jié)點之間的鏈路連接。

為突出IBFD MAC協(xié)議優(yōu)越性，結(jié)合上述分析，對多篇文獻(xiàn)進(jìn)行歸類對比，如表2所示。

表2 IBFD無線通信MAC協(xié)議對比分析

(續(xù)表)

圖8 IBFD與半雙工無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比分析

在IBFD MAC協(xié)議支持下，IBFD無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量與半雙工無線通信相比最大可高出一倍。本文對文獻(xiàn)[63]的FD-CDMA/CD、文獻(xiàn)[66]的RTS/FCTS和HD的RTS/CTS 3種協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)性能的影響進(jìn)行對比分析，建立Markov模型，并對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目與吞吐量以及節(jié)點傳輸概率與吞吐量的關(guān)系進(jìn)行仿真，如圖8所示。由圖8可明顯看出，F(xiàn)D-CDMA/CD協(xié)議的IBFD網(wǎng)絡(luò)吞吐量幾乎是使用RTS/CTS協(xié)議的HD網(wǎng)絡(luò)吞吐量的二倍，使用RTS/FCTS協(xié)議的IBFD網(wǎng)絡(luò)吞吐量亦高出約86%。

4.2.2MAC層調(diào)度機(jī)制

部分文獻(xiàn)對IBFD無線通信的MAC層調(diào)度機(jī)制進(jìn)行了整體規(guī)劃。文獻(xiàn)[19]提出，為最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量，IBFD無線通信的MAC層必須允許所有節(jié)點能夠訪問介質(zhì)，且IBFD節(jié)點需要同鄰居節(jié)點之間共享隊列信息，并以此思想提出了IBFD無線通信MAC層的3個調(diào)度機(jī)制設(shè)計準(zhǔn)則：1)共享隨機(jī)退避：正在通信的兩個節(jié)點允許其他節(jié)點競爭媒體介質(zhì)，若沒有節(jié)點能夠成功獲取介質(zhì)，則這兩個節(jié)點繼續(xù)IBFD無線通信；2)頭部偵聽：即使網(wǎng)絡(luò)分配向量 (network allocation vector，NAV)為0，節(jié)點也能夠?qū)λ姓趥鬏數(shù)臄?shù)據(jù)包頭部進(jìn)行解碼，進(jìn)而估算本地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并適時開啟IBFD無線通信模式；3)虛擬競爭：AP查看緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)包，統(tǒng)籌決定優(yōu)先發(fā)送的數(shù)據(jù)包次序，并尋找更多使用IBFD無線通信的機(jī)會。測試結(jié)果表明，文獻(xiàn)[19]提出的MAC層調(diào)度機(jī)制可為IBFD無線通信帶來高出半雙工70%的吞吐量增益。之后基于文獻(xiàn)[19]，文獻(xiàn)[89]添加了第四個設(shè)計準(zhǔn)則，即：4)RTS/CTS交換：在RTS/CTS幀中添加能夠被網(wǎng)絡(luò)節(jié)點識別的IBFD傳輸模式標(biāo)識，使用媒體接入建立IBFD無線通信鏈路并告知鄰居節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)。

文獻(xiàn)[6]充分利用RTS和CTS，在標(biāo)準(zhǔn)802.11 DCF協(xié)議基礎(chǔ)上添加了IBFD無線通信功能，設(shè)計了IBFD節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換的調(diào)度機(jī)制，并對IBFD數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)和傳輸方式、ACK管理機(jī)制和串音節(jié)點行為進(jìn)行設(shè)計，將其內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議進(jìn)行對比和總結(jié)，如表3所示。OPNET仿真結(jié)果表明，文獻(xiàn)[6]的IBFD無線通信MAC協(xié)議使得IBFD多節(jié)點單AP網(wǎng)絡(luò)同基于DCF協(xié)議的傳統(tǒng)半雙工網(wǎng)絡(luò)相比，吞吐量提高了近一倍。

表3 IBFD無線通信MAC層調(diào)度機(jī)制[6]與802.11標(biāo)準(zhǔn)對比

4.3其他相關(guān)研究

IBFD無線通信允許在一定范圍內(nèi)更多的數(shù)據(jù)并行傳輸，在提高無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面具有很大潛力?？梢造`活地組建一個部分甚至所有節(jié)點支持IBFD的無線網(wǎng)絡(luò)，由此對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由結(jié)構(gòu)等提出新的挑戰(zhàn)。

目前，IBFD無線通信關(guān)于網(wǎng)絡(luò)高層的研究內(nèi)容相對較少。以網(wǎng)絡(luò)層研究為例，IBFD無線通信的路由算法無需避免交叉路由，從而縮短了路由數(shù)據(jù)報長度并減小全局干擾。文獻(xiàn)[90-91]提出IBFD無線通信中使用路由算法處理雙向數(shù)據(jù)流，并充分利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，也能夠進(jìn)一步提高吞吐量。文獻(xiàn)[92]為其提出的D-FDW網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種按需繞行路由協(xié)議，減少通信數(shù)據(jù)流中交叉點的數(shù)量，消除了隱藏終端的影響，使多跳網(wǎng)絡(luò)端到端吞吐量提高了86.4%。

5　IBFD無線通信研究應(yīng)用

目前，IBFD無線通信在國際上已成為研究熱點。隨著PHY層自干擾消除技術(shù)和MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制的研究逐漸深入，IBFD在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。IBFD與半雙工、MIMO技術(shù)的結(jié)合，以及其在5G、認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(cognitive radio networks，CRN)中的應(yīng)用也是今后的研究重點。

1)IBFD與半雙工技術(shù)

目前且在今后的幾年，主導(dǎo)無線通信仍是半雙工技術(shù)，研究人員需要考慮全雙工與半雙工的兼容與結(jié)合問題。文獻(xiàn)[11]提出的虛擬全雙工允許節(jié)點在物理層同時進(jìn)行半雙工和全雙工無線通信，并顯著簡化高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計，實現(xiàn)更高的頻譜效率。文獻(xiàn)[12]提出的分布式全雙工在一個全雙工設(shè)備節(jié)點與兩個半雙工移動節(jié)點之間的三節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信模型中，允許同一頻段上行鏈路和下行鏈路的同時傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。文獻(xiàn)[59]提出一種在IBFD和半雙工中繼模式間適時切換的混合技術(shù)，通過適時切換選擇與傳輸功率自適應(yīng)相結(jié)合的方式最大化瞬時平均頻譜效率，顯著提高了系統(tǒng)的性能增益。

2)IBFD與MIMO技術(shù)

文獻(xiàn)[93]將MIMO和全雙工結(jié)合，提出MIDU(MIMO full DUplex)的概念，使用了發(fā)送天線和接收天線位置對稱的天線消除技術(shù)和射頻消除技術(shù)。WARP平臺驗證結(jié)果顯示，MIDU能夠做到兩階消除且自干擾消除量可達(dá)到45 dB，提供至少20%的平均速率增益。文獻(xiàn)[94]提出收發(fā)節(jié)點端口設(shè)置多天線時能夠在增加半雙工MIMO鏈路容量的同時為系統(tǒng)帶來全雙工的容量。分別模擬了點對點和點對多點的IBFD MIMO無線通信過程，測試結(jié)果表明，IBFD節(jié)點RF鏈路數(shù)量一定時，在收發(fā)節(jié)點處放置額外的天線可以獲得更高容量增益，但此方法會使系統(tǒng)吞吐量有所下降。

3)IBFD在5G中的應(yīng)用

5G的研究工作已經(jīng)展開，其中一個主要技術(shù)指標(biāo)是峰值傳輸速率增長至4G的100倍[95]，考慮到IBFD無線通信頻譜利用率高的特點，IBFD技術(shù)已成為5G技術(shù)的重要候選方案。Stanford大學(xué)Sachin教授認(rèn)為IBFD自干擾消除技術(shù)的研究成果能夠有效應(yīng)用于5G研究中，指出目前瑣碎分散的頻譜資源對未來5G的發(fā)展非常不利，IBFD自干擾消除技術(shù)具有增加鏈路容量和虛擬化光譜等功能，支持多種雙工通信，在實現(xiàn)和支撐5G技術(shù)向密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向存在可能性[17]。

4)IBFD在CRN中的應(yīng)用

CRN可有效解決固定頻譜分配帶來的頻譜利用率低問題，但次用戶何時可以使用頻譜引發(fā)的動態(tài)頻譜訪問問題成為其發(fā)展的主要阻礙之一[96]。文獻(xiàn)[16]將IBFD同CRN結(jié)合，使次用戶在傳輸?shù)耐瑫r還能夠檢測主用戶的動態(tài)，一旦檢測到主用戶的存在，次用戶會立刻釋放頻譜以避免同主用戶之間產(chǎn)生干擾。非理想IBFD CRN仿真結(jié)果表明，高信噪比時盡管很多因素會破壞IBFD的理想狀態(tài)，但主用戶丟包率仍然比半雙工CRN低得多。

6　結(jié) 束 語

IBFD無線通信同一頻段同時發(fā)送和接收的優(yōu)勢突破了傳統(tǒng)雙工無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的束縛，理論上最大可成倍提高頻譜利用率，為頻譜資源的有效利用提供了新的思路和方法，同時也對無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和管理提出了挑戰(zhàn)。本文針對IBFD無線通信，從主要技術(shù)難題、研究現(xiàn)狀、通信模型和研究技術(shù)等方面做了詳細(xì)歸納和描述，并著重分析了自干擾消除方法、MAC層協(xié)議及調(diào)度機(jī)制等研究內(nèi)容。綜合IBFD無線通信研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，對今后IBFD無線通信的研究與發(fā)展趨勢展望如下：

1)優(yōu)化IBFD無線通信的自干擾消除方法。構(gòu)建無線自干擾傳播信道模型，研究與自干擾消除相關(guān)的信道估算方法和信號處理技術(shù)；研究高效協(xié)同天線消除、模擬消除和數(shù)字消除三者的方法，改善影響自干擾消除的元器件，提高自干擾消除性能，進(jìn)而優(yōu)化IBFD整體硬件電路。

2)研究適合IBFD無線通信的信號處理和通信調(diào)度機(jī)制。傳統(tǒng)的無線通信機(jī)制已經(jīng)不再完全適合IBFD，以硬件電路實現(xiàn)為基礎(chǔ)，可以針對IBFD同一頻段同時收發(fā)特性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制的設(shè)計。在發(fā)送和接收信號處理等方面可以考慮調(diào)制解調(diào)方式、信道代碼、信號處理方式的設(shè)計；在無線通信調(diào)度等方面可以考慮資源管理、MAC層及高層協(xié)議、調(diào)度機(jī)制和跨層優(yōu)化的設(shè)計。

3)分析IBFD無線通信系統(tǒng)容量和性能。目前IBFD研究主要集中于技術(shù)實現(xiàn)和改進(jìn)，關(guān)于系統(tǒng)可獲得的容量和性能增益的研究尚屬空白。IBFD無線通信的深入研究還需要對系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對實際IBFD系統(tǒng)的信道容量、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能參數(shù)也需要做進(jìn)一步分析。

4)研究IBFD無線通信系統(tǒng)級問題。可以考慮將IBFD設(shè)備應(yīng)于CRN、D2D(device-to-device)、M2M (machine-to-machine)和 HetNet(heterogeneous networks)等網(wǎng)路的構(gòu)建，例如虛擬全雙工和分布式全雙工等IBFD與半雙工結(jié)合的無線通信系統(tǒng)，對未來實際系統(tǒng)中IBFD節(jié)點的增加和替換提供有效的研究思路。

5)解決IBFD無線通信工程性問題。當(dāng)前用于IBFD研究的實驗平臺主要有Rice大學(xué)的WARP平臺和Ettus Research公司的USRP(universal software radio peripheral)平臺，系統(tǒng)較為復(fù)雜且體積較大。隨著IBFD無線通信技術(shù)研究的日益深入，將其實際應(yīng)用于手機(jī)等小型移動通信設(shè)備，還需要解決硬件電路復(fù)雜度和尺寸等工程性問題。

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編輯稅紅

Survey of Self-Interference Cancellation and MAC Scheduling for In-Band Full-Duplex Wireless Communication

SUN Yan-jing,ZUO Hai-wei,and LI Song
(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and TechnologyXuzhou Jiangsu221116; Coal Mine Electrical Engineering and Automation Laboratory in JiangSu ProvinceXuzhou Jiangsu221008)

In-band full-duplex (IBFD)wireless communication,which allows nodes to transmit and receive simultaneously in the same frequency band,can double spectral efficiency theoretically compared with conventional duplex. The survey presents an analysis of the main technical problems of IBFD wireless full duplex communication to be solved,and summarizes the research progress systematically. The system models and key technologies of IBFD wireless communication are introduced,especially emphasizing the research of self-interference cancellation methods,MAC (Medium Access Control)protocols and scheduling mechanisms. Finally,combined with current research and application focuses,the future trends and main research directions of IBFD wireless communication are discussed.

in-band full duplex;MAC protocols;self-interference cancellation;spectral efficiency; wireless communication

TN92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.06.001

2015 ? 06 ? 02；

2016 ? 06 ? 24

國家自然科學(xué)基金面上項目(51274202)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2013RC11)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項目(子課)(BA2012068)；江蘇省自然科學(xué)基金面上項目(BK20130199,BK20131124)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2014028-01)

孫彥景(1977 ? )，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事無線通信、協(xié)作通信、礦井通信與監(jiān)控、礦山物聯(lián)網(wǎng)等方面研究.