周芮

【摘要】 在5G通信研發(fā)中，同時(shí)同頻全雙工作為提高頻譜效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要克服的重要問(wèn)題就在于自干擾的消除。本文研究了關(guān)注甚少的數(shù)字消除方式，全面分析了信道估計(jì)聯(lián)合自適應(yīng)濾波的消除方案。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線通信 同時(shí)同頻全雙工 數(shù)字消除

一、引言

近年來(lái)，4G通信技術(shù)已日趨成熟，然而隨著用戶速率和業(yè)務(wù)量需求的飛速增長(zhǎng)，無(wú)線通信系統(tǒng)所需的帶寬不斷增大，對(duì)頻譜資源的需求也在迅速增加，為滿足日益增長(zhǎng)的通信需求，5G的研發(fā)已提上日程。盡管5G定位于頻譜效率更高、速率更快、容量更大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但亟待解決的問(wèn)題也很多，在無(wú)線傳輸技術(shù)方面，同時(shí)同頻全雙工就是解決頻譜效率問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

傳統(tǒng)的時(shí)分雙工和頻分雙工這兩種雙工技術(shù)作為無(wú)線通信系統(tǒng)中的主流技術(shù)，已在無(wú)線通信領(lǐng)域廣泛使用。但是，時(shí)分雙工與頻分雙工技術(shù)中存在的問(wèn)題，使這兩種技術(shù)性能受到限制。例如，使用時(shí)分雙工會(huì)使節(jié)點(diǎn)間的信道不一致特性惡化，同時(shí)由于通信雙方分時(shí)的收發(fā)數(shù)據(jù)，時(shí)間利用率不高，影響通信效率。而另一方面在頻分雙工通信系統(tǒng)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)試圖相互發(fā)送與接收信號(hào)時(shí)，需要在某一頻段發(fā)射信號(hào)，在另一頻段接收信號(hào)，導(dǎo)致進(jìn)行雙工通信需要兩倍的單向通信鏈路帶寬，在無(wú)線頻譜資源日益緊張的今天，帶寬資源占用太大，并且會(huì)限制系統(tǒng)中可以通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。在傳統(tǒng)技術(shù)的這些缺陷下，國(guó)外研究者提出嘗試讓雙工通信節(jié)點(diǎn)雙方在同一頻帶上同時(shí)發(fā)送與接收信號(hào)，即全雙工（Full Duple，F(xiàn)D）技術(shù)，而在國(guó)內(nèi)，通常稱之為同時(shí)同頻全雙工（Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD）技術(shù)。

雖然同時(shí)同頻全雙工比起傳統(tǒng)雙工方式節(jié)省了一半的時(shí)間開(kāi)銷與頻率開(kāi)銷，使頻譜效率加倍，但是該技術(shù)有一個(gè)顯著問(wèn)題要解決，就是本地自干擾的抑制。對(duì)相互通信雙方的任一節(jié)點(diǎn)而言，對(duì)方發(fā)射天線發(fā)來(lái)的信號(hào)為自身需要的期望信號(hào)，而自身發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)對(duì)自身接收端就造成干擾，稱之為自干擾。由于自身節(jié)點(diǎn)收發(fā)天線之間的距離遠(yuǎn)小于相互通信的節(jié)點(diǎn)之間距離，這個(gè)自干擾信號(hào)就遠(yuǎn)大于期望信號(hào)，顯然，消除自干擾就是最關(guān)鍵任務(wù)?，F(xiàn)行的自干擾消除研究中，根據(jù)干擾消除方式和位置的不同，可分為天線、射頻、數(shù)字三種方式。

天線消除的原理是將收發(fā)天線在空中接口處分離，從而降低發(fā)射機(jī)信號(hào)對(duì)接收機(jī)信號(hào)的干擾，主要有以下三種方式：

1）拉遠(yuǎn)發(fā)射天線和接收天線之間的距離，采用分布式天線，增加電磁波傳播的路徑損耗，以降低雙工干擾（DI）在接收端的功率；

2）直接屏蔽DI：在發(fā)射天線和接收天線之間設(shè)置一微波屏蔽板；

3）配備多發(fā)射天線，調(diào)整多個(gè)發(fā)射天線到接收天線的距離，使發(fā)射信號(hào)在接收天線處相位相反實(shí)現(xiàn)抵消。

而射頻方式主要是在模擬域通過(guò)射頻電路以相位反轉(zhuǎn)的形式實(shí)現(xiàn)干擾抵消，該方式研究較廣泛且成效可觀。天線、射頻方式研究較早且關(guān)注較多，并且自干擾消除效果顯著，而數(shù)字方式較前兩者而言關(guān)注甚少，目前大概也只能實(shí)現(xiàn)10dB至15dB的自干擾功率衰減，但作為對(duì)整體干擾消除效果的完善，數(shù)字方式不可或缺，因此還有待更多的研究。

本文分析的數(shù)字自干擾消除方式為基于信道估計(jì)的自適應(yīng)濾波方案，第二節(jié)闡述該方案的原理及整體框架，第三節(jié)分析信道估計(jì)的原理方法，第四節(jié)介紹時(shí)域自適應(yīng)濾波算法，第五節(jié)探討該數(shù)字消除方案需要注意的問(wèn)題，最后，作出總結(jié)展望。

二、數(shù)字自干擾消除方案

由于在天線、射頻消除后，接收信號(hào)中往往還存在殘余自干擾，需要通過(guò)數(shù)字域消除方式進(jìn)一步完善消除性能。與射頻消除思想類似，數(shù)字方式也是干擾抵消原理，通過(guò)重建干擾信號(hào)副本，然后在總的接收信號(hào)中減去以消除自干擾，不同的是，數(shù)字方式是將信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后再作消除。然而，在同時(shí)同頻全雙工無(wú)線通信系統(tǒng)中實(shí)施的數(shù)字干擾消除比在其他應(yīng)用中使用的數(shù)字消除（如連續(xù)干擾消除（簡(jiǎn)稱SIC）與解碼等）比起來(lái)，更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿p工設(shè)備中若丟失了20%的數(shù)據(jù)包，就意味著系統(tǒng)僅僅是可用而已。因此，為了在后續(xù)提取期望信號(hào)的工作中能提高精確度，完善數(shù)字自干擾消除性能就很有必要，這就要求自干擾信號(hào)能被準(zhǔn)確消除，那么獲取自干擾信號(hào)特性以及實(shí)時(shí)捕獲它的變化就顯得尤為重要，這里分析的信道估計(jì)聯(lián)合自適應(yīng)濾波消除方案則是一種有效方式。圖1所示為該數(shù)字自干擾消除方案的基本框架。

由于本地自干擾信號(hào)在到達(dá)自身接收端時(shí)會(huì)受無(wú)線信道影響，振幅、相位等信號(hào)特性會(huì)發(fā)生變化，要使濾波器產(chǎn)生精確的自干擾估計(jì)信號(hào)，首先得通過(guò)信道估計(jì)獲取自干擾信道沖激響應(yīng)，并作為濾波器的初始加權(quán)系數(shù)，再結(jié)合自適應(yīng)算法進(jìn)行調(diào)整，以使濾波器能實(shí)時(shí)跟蹤自干擾信號(hào)的變化，從而輸出更接近于干擾信號(hào)的抵消信號(hào)。

三、自干擾信道估計(jì)

由于自干擾信號(hào)受無(wú)線信道影響，如果能估計(jì)出自干擾信道沖激響應(yīng)，就能獲取自干擾在接收端的信號(hào)特性，這樣就有利于后續(xù)自適應(yīng)濾波器輸出更精確的干擾估計(jì)信號(hào)，因此，信道估計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。信道估計(jì)的算法很多，根據(jù)是在時(shí)域還是頻域?qū)崿F(xiàn)信道估計(jì)，可分為時(shí)域信道估計(jì)和頻域信道估計(jì)；依據(jù)是否使用輔助數(shù)據(jù)，將信道估計(jì)分為基于導(dǎo)頻或訓(xùn)練符號(hào)的輔助信息信道估計(jì)和盲信道估計(jì)?；谳o助信息的信道估計(jì)方法是在發(fā)送信號(hào)的某些位置置入一些己知的導(dǎo)頻符號(hào)或?qū)ち行蛄?，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號(hào)或訓(xùn)練序列按照某種方法進(jìn)行信道估計(jì)，這里所討論的系統(tǒng)是單載波系統(tǒng)類型，因此使用輔助信息的信道估計(jì)，訓(xùn)練序列只能在時(shí)間軸插入。需要注意的是，插入的訓(xùn)練序列在時(shí)間軸上的間隔相對(duì)于信道帶寬要足夠的小?；谳o助信息的信道估計(jì)性能較好，但會(huì)造成寬帶和功率的損失，降低系統(tǒng)傳輸?shù)挠行?，比較適用于突發(fā)式的通信傳輸系統(tǒng)，例如WLAN等。這里是使用基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法對(duì)自干擾信道進(jìn)行估計(jì)。

由于無(wú)線通信信道最明顯的特征是多徑衰落效應(yīng)和時(shí)間變化特性，也就是說(shuō)存在一條以上的信號(hào)傳播路徑，且信道特性隨時(shí)間變化較快，具有明顯的隨參信道特性。由于在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)中，自身節(jié)點(diǎn)的收發(fā)天線之間距離很近，因此可以假定自干擾信道為線性衰落信道，現(xiàn)在以最小平方信道估計(jì)法為例分析信道估計(jì)方法。

最小平方（Least Square，LS）信道估計(jì)法便于實(shí)現(xiàn)且有較好的性能，它是以選擇估計(jì)值與實(shí)際值之間的均方誤差最小作為性能衡量的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)Y是自身節(jié)點(diǎn)接收端的經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換后得到的信號(hào)列向量，X是自身節(jié)點(diǎn)發(fā)射端發(fā)送的訓(xùn)練序列，H是信道頻域響應(yīng)，W是均值為零，方差為σ2的高斯白噪聲，則有如下關(guān)系：

有了上述信道頻域響應(yīng)后，經(jīng)過(guò)DFT后即得時(shí)域沖激響應(yīng)，以方便隨后的時(shí)域自適應(yīng)算法在自適應(yīng)濾波中有效進(jìn)行。

四、自適應(yīng)濾波

得到信道估計(jì)結(jié)果后，作為自適應(yīng)濾波器初始加權(quán)系數(shù)，然后通過(guò)自適應(yīng)算法進(jìn)行系數(shù)向量調(diào)整，使輸出最大程度接近自干擾信號(hào)，因此自適應(yīng)干擾消除是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自適應(yīng)干擾消除技術(shù)的核心是自適應(yīng)濾波器和相應(yīng)地自適應(yīng)算法，自適應(yīng)濾波器能夠按照某種準(zhǔn)則自動(dòng)地調(diào)節(jié)本身的傳遞函數(shù)進(jìn)行自我修正，使得輸出信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)所需要的最佳結(jié)果。對(duì)于自適應(yīng)濾波器，它可以用許多不同結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從根本上講，主要有兩類自適應(yīng)數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，即有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（IIR）濾波器。由于FIR濾波器為橫向結(jié)構(gòu)，利用正規(guī)直接形式實(shí)現(xiàn)全零點(diǎn)傳輸函數(shù)，這種結(jié)構(gòu)下，輸出信號(hào)是濾波器抽頭系數(shù)的線性組合，產(chǎn)生具有唯一最優(yōu)解的二次均方誤差函數(shù)，更適合于自適應(yīng)算法通過(guò)誤差反饋調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)的原理，因此在自適應(yīng)干擾抵消情景中，廣泛采用FIR濾波器。

另外一個(gè)關(guān)鍵是自適應(yīng)算法，這會(huì)直接影響自適應(yīng)干擾消除系統(tǒng)的整體效果，選擇自適應(yīng)算法時(shí)需要考慮：算法收斂速度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和算法的復(fù)雜性，并且要求自適應(yīng)算法易于實(shí)現(xiàn)，以降低系統(tǒng)成本?，F(xiàn)行的時(shí)域自適應(yīng)算法中，最具有代表性的自適應(yīng)算法有最小均方（Least Mean Square，簡(jiǎn)稱LMS）、歸一化最小均方（Normalized LMS，簡(jiǎn)稱NLMS）和遞歸最小二乘（Recursive Least Squares，簡(jiǎn)稱RLS）算法，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)，最小均方算法因其計(jì)算復(fù)雜度小，易于硬件實(shí)現(xiàn)，因而應(yīng)用較廣泛，但是往往存在收斂速度慢的問(wèn)題。

遞歸最小二乘法收斂速度快，實(shí)時(shí)性高，但由于計(jì)算復(fù)雜度大因而在工程上很少使用。建立在LMS基礎(chǔ)上的歸一化最小均方算法則對(duì)LMS算法作了優(yōu)化，以變步長(zhǎng)因子形式提高算法收斂性，計(jì)算復(fù)雜度又較RLS算法小得多，工程應(yīng)用上較受歡迎。這里可將NLMS算法應(yīng)用于此處的自適應(yīng)干擾消除中。

設(shè)數(shù)字基帶信號(hào)u（n）經(jīng)濾波器延遲單元延遲后所構(gòu)成的輸入信號(hào)列向量為u（n），濾波器加權(quán)系數(shù)向量為w（n），干擾信號(hào)與濾波器輸出信號(hào)相減所得誤差為e（n），則由NLMS算法迭代方程有

五、對(duì)整體消除的影響及需要注意的問(wèn)題

在同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字自干擾消除時(shí)，由于本地自干擾信號(hào)是已知的，因此相比傳統(tǒng)的數(shù)字消除省去了先解出不期望的發(fā)射信號(hào)信息的過(guò)程。在整體的自干擾消除中采用相干檢測(cè)而非解碼來(lái)檢測(cè)干擾信號(hào)，相干檢測(cè)器將輸入的射頻接收信號(hào)與從發(fā)射端獲取的干擾參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)。由于檢測(cè)器能夠獲取完整的自干擾信號(hào)，可以用其對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)，根據(jù)得到的相關(guān)序列峰值，就能夠準(zhǔn)確得到接收信號(hào)中自干擾分量相對(duì)于干擾參考信號(hào)的時(shí)延和相位差，利用這些信息就可以更準(zhǔn)確的重建自干擾估計(jì)信號(hào)，同時(shí)這種相干檢測(cè)能夠檢測(cè)出強(qiáng)度比期望信號(hào)還微弱的自干擾信號(hào)。

在這種情況下雖然無(wú)需數(shù)字干擾消除也能較準(zhǔn)確地解碼期望信號(hào)，但采用數(shù)字干擾消除方式可以將射頻方式中未完全抵消的自干擾信號(hào)進(jìn)一步消除，即使實(shí)現(xiàn)10dB的自干擾功率衰減，對(duì)提升期望信號(hào)的信干噪比（SINR）值也有極大幫助，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

另外，數(shù)字自干擾消除有一個(gè)必要前提，那就是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端未阻塞的情況下，為使其能夠正確解碼期望信號(hào)，信號(hào)電平強(qiáng)度至少需要達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化間隔。因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)字自干擾消除，期望信號(hào)和自干擾信號(hào)的電平不能相差太大，即不能超過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍（動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最強(qiáng)功率值與最弱功率值之間的最大比值），否則即使以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大動(dòng)態(tài)范圍適配射頻消除后的總的接收信號(hào)，由于期望信號(hào)的電平?jīng)]有達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化間隔也無(wú)法正確解碼，這樣就會(huì)導(dǎo)致誤碼率增大，信息丟失嚴(yán)重。以目前常見(jiàn)的8～12比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，對(duì)應(yīng)能夠識(shí)別的輸入信號(hào)功率動(dòng)態(tài)范圍為0～48dB/0～72dB，即要求期望信號(hào)與自干擾信號(hào)的功率之差不能超過(guò)0～48dB/0～72dB。

由于在接收端經(jīng)常出現(xiàn)接收多個(gè)信號(hào)的現(xiàn)象，且接收端易受干擾侵害，因此接收端的接收信號(hào)在通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，一定要先分析信號(hào)是否會(huì)超出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍，以免發(fā)生不可挽回的錯(cuò)誤。動(dòng)態(tài)范圍越高，模數(shù)轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的性能越好，以目前的技術(shù)而言，高達(dá)12比特（動(dòng)態(tài)范圍74dB）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在技術(shù)上可行但花費(fèi)較高，一般而言，8比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以提供50dB的動(dòng)態(tài)范圍，若前兩種消除方式能將自干擾削弱到與期望信號(hào)的功率比值在50dB以內(nèi)，則8比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可滿足數(shù)字自干擾消除的量化要求。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)同時(shí)同頻全雙工數(shù)字自干擾消除方式進(jìn)行了探討研究，分析了基于信道估計(jì)的自適應(yīng)濾波消除方案。然而要更好地完善消除性能，在信道估計(jì)及自適應(yīng)濾波算法的優(yōu)化上還有待更多研究。

目前關(guān)于同時(shí)同頻全雙工無(wú)線系統(tǒng)的研究尚未全面展開(kāi)，國(guó)外幾所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)起步較早，而國(guó)內(nèi)也開(kāi)始跟進(jìn)。然而對(duì)該技術(shù)展開(kāi)研究是非常有意義的，國(guó)外現(xiàn)有的研究，證實(shí)該技術(shù)的確能夠解決目前無(wú)線通信系統(tǒng)中存在的某些頑固性的問(wèn)題，這無(wú)疑開(kāi)辟了無(wú)線通信領(lǐng)域的一個(gè)完全新穎的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)，自干擾消除技術(shù)的提升也將會(huì)使同時(shí)同頻全雙工技術(shù)在5G研發(fā)中有更好的應(yīng)用前景。

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