秦學(xué)聰

摘要：隨著第四代移動(dòng)通信（4G）進(jìn)入商業(yè)化階段，面向2020年和未來的第五代移動(dòng)通信（5G）已成為全球研究的熱點(diǎn)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)作為未來移動(dòng)通信發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力，為5G提供了廣闊的應(yīng)用前景。面對(duì)未來數(shù)據(jù)流量的千倍增長(zhǎng)、千億的設(shè)備連接和多樣化的業(yè)務(wù)需求，5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅需要滿足更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，還需要顯著提高頻譜效率、能源效率和成本效率。作為5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)之一，帶內(nèi)全雙工（in-bandfull-duplex， IBFD）無線通信允許節(jié)點(diǎn)在同一頻段上同時(shí)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。然而，由于同頻同時(shí)接收信號(hào)的特點(diǎn)，嚴(yán)重的環(huán)路自干擾成為制約其發(fā)展的主要因素。該文將對(duì)全雙工系統(tǒng)自干擾消除技術(shù)進(jìn)行研究，具體包括：（1）分析了IBFD無線全雙工通信的主要技術(shù)問題。介紹了IBFD無線通信系統(tǒng)的模型和三種通信模式，并提出了三類主流的自干擾消除方法在系統(tǒng)模型中的位置和作用。（2）結(jié)合現(xiàn)階段研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，提出了IBFD無線通信未來的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

關(guān)鍵詞：帶內(nèi)全雙工;MAC協(xié)議;自干擾消除;無線通信

中圖分類號(hào)：TN92? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）19-0254-03

無線通信可提供多樣化的信息服務(wù)，隨著移動(dòng)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，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)與頻譜資源短缺之間存在外在矛盾，驅(qū)動(dòng)著無線通信理論與技術(shù)的內(nèi)在變革，研究人員為此提出了許多提高頻譜利用率的新技術(shù)方案。其中，IBFD無線通信允許節(jié)點(diǎn)在同一頻段上同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，與現(xiàn)有的半雙工（half duplex， HD）、時(shí)分雙工（time division duplex， TDD）和頻分雙工（frequency division duplex， FDD）相比，理論上最大可成倍提高頻譜利用率，近年來受到了廣泛的關(guān)注。

由于全雙工收發(fā)系統(tǒng)使用相同的時(shí)頻資源，設(shè)備本身的發(fā)射天線引起的近端自干擾（self-interference， SI）信號(hào)功率遠(yuǎn)大于來自遠(yuǎn)端發(fā)射天線的期望信號(hào)功率，不僅會(huì)造成接收機(jī)的飽和，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)無法正確解碼有用信號(hào)。自干擾問題不僅存在于全雙工系統(tǒng)中，也存在于半雙工系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的頻譜泄漏和天線耦合會(huì)在接收機(jī)處產(chǎn)生強(qiáng)烈的自干擾，影響系統(tǒng)的整體性能。因此，自干擾信號(hào)消除（self-interference cancellation， SIC）已成為IBFD無線通信中首先需要解決的技術(shù)問題。

本文首先分析了IBFD無線通信主要的技術(shù)問題。基于IBFD無線通信系統(tǒng)模型，分析了三種通信模式，并介紹三類主流的自干擾消除方法在系統(tǒng)模型中的位置和作用。最后，結(jié)合當(dāng)前的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)提出了對(duì)未來IBFD無線通信的研究及應(yīng)用的展望。

1 IBFD無線通信問題

IBFD的一個(gè)雙跳傳輸鏈路如圖1所示，信源節(jié)點(diǎn)（S）通過中繼（R）與目的節(jié)點(diǎn)（D）進(jìn)行通信。在實(shí)際的多用戶或多中繼系統(tǒng)中，該模型與無線資源管理后的情況相對(duì)應(yīng)，并將頻譜資源分配給特定的基站，以在特定的中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下為特定的用戶設(shè)備服務(wù)。信源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都是單天線節(jié)點(diǎn)且它們之間的直接通信較弱，所以擁有獨(dú)立收發(fā)天線的中繼加入系統(tǒng)用來幫助其他節(jié)點(diǎn)而自身不傳輸數(shù)據(jù)。上述信號(hào)模型的新穎性在于明確考慮了實(shí)際FD中繼器中不可避免的殘余自干擾。

該系統(tǒng)包括四個(gè)無線鏈路，分別是信源節(jié)點(diǎn)-中繼信道（SR），殘余環(huán)路干擾信道信道（LI），中繼-目的節(jié)點(diǎn)信道（RD）以及信源-目的節(jié)點(diǎn)信道（SD）。分別用?SR，?LI， ?RD和?SD表示。信道被建立為頻率平坦和準(zhǔn)靜態(tài)模式。信源和中繼的歸一化發(fā)射功率分別由PS和PR表示，而且他們受到各自的限制：PS≤1且PR≤1。

在全雙工通信模式下，中繼節(jié)點(diǎn)接收天線在接收來自信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的有用信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)接收來自自身節(jié)點(diǎn)發(fā)射天線發(fā)送（泄露）出去的信號(hào)，此信號(hào)稱為自干擾信號(hào)，也稱環(huán)路干擾信號(hào)。在無線傳輸過程中，源節(jié)點(diǎn)的有用信號(hào)衰減很大，中繼器接收到的有用信號(hào)遠(yuǎn)小于其發(fā)射天線接收到的大功率自干擾信號(hào)，使得節(jié)點(diǎn)很難對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行解碼。因此，為了保證IBFD節(jié)點(diǎn)在同一頻段內(nèi)同時(shí)發(fā)送和接收無線信號(hào)，必須首先解決自干擾信號(hào)的問題。

2 三種通信模式

2.1 全雙工模式（FD）

中繼器在同一頻率上同時(shí)接收和轉(zhuǎn)發(fā)。因此，通信由于受到中繼傳輸?shù)街欣^接收的自干擾（或“環(huán)路干擾”）而降級(jí)。在i時(shí)刻，信源發(fā)送信號(hào)x[i]到中繼（?{|x[i]|2}= PS≤1 ?{.}是期望算子），這同時(shí)也被目的節(jié)點(diǎn)給收聽到，中繼收到信號(hào)r[i]并發(fā)送t[i]（ ?{|t[i]|2}= PR≤1）。因此，接收信號(hào)在中繼和目的節(jié)點(diǎn)中可分別表示為：

式（1）中期望的信號(hào)分量為?SRx[i]，中繼器可以采用對(duì)消算法（部分）消除?LIt[i]。通常這涉及到環(huán)路信道的估計(jì)和對(duì)重復(fù)干擾信號(hào)的消減。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于非理想的信道估計(jì)和信號(hào)處理結(jié)果，無法實(shí)現(xiàn)完全抑制。尤其是，中繼前端的動(dòng)態(tài)變化范圍無法同時(shí)滿足有用信號(hào)和干擾信號(hào)，從而導(dǎo)致了失真噪聲的產(chǎn)生。無論采用何種緩解方案，我們都將殘余噪聲表示為[hLIti]。這樣，（1）式就變成了r[i]= ?SR x[i]+[hLIti]+nR[i]，并且?{|[ti]|2}= PR，[hLI]代表由于不完全抵消而產(chǎn)生的剩余環(huán)路干擾信道。因?yàn)槊恳粋€(gè)對(duì)消算法的實(shí)現(xiàn)都具有特定的剩余功率，所以將[|hLI|]2參數(shù)化可以使分析更加通用。當(dāng)且僅當(dāng)使用自然天線隔離而不使用數(shù)字取消時(shí)，我們才認(rèn)為[hLIti]= ?LIt[i]。

2.2 半雙工模式（HD）

一個(gè)符號(hào)的端到端傳輸可以分布在兩個(gè)正交時(shí)隙上，以消除環(huán)路干擾。信源節(jié)點(diǎn)僅在偶數(shù)時(shí)隙發(fā)送信號(hào)x[2i]，中繼同在偶數(shù)時(shí)隙接收信號(hào)r[2i]并在奇數(shù)時(shí)隙傳輸信號(hào)t[2i+1]。因此，接收信號(hào)在中繼和目的節(jié)點(diǎn)中的表達(dá)式為：

2.3 直接傳輸模式（DT）

為了進(jìn)行比較，保留了完全不使用中繼器的可能性。在這種情況下，信源發(fā)送信號(hào)x[i]，目的節(jié)點(diǎn)接收：

3 結(jié)束語

作為5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)之一，IBFD無線通信突破了傳統(tǒng)雙工無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的束縛，能夠最大限度地提升網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備收發(fā)設(shè)計(jì)的自由度，理論上最大可成倍提高頻譜和資源利用率。由于全雙工收發(fā)系統(tǒng)使用相同的時(shí)頻資源，設(shè)備本身的發(fā)射天線引起的近端自干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于來自遠(yuǎn)端發(fā)射天線的有用信號(hào)功率，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)無法正確解碼信號(hào)。針對(duì)上述問題，本文從技術(shù)難題、三種通信模式兩方面做了較為翔實(shí)的闡述和總結(jié)。

被動(dòng)自干擾消除主要就是天線消除，通過增加自干擾信號(hào)在天線間無線傳輸?shù)奈锢硭p量來達(dá)到目的。但不能僅僅依靠天線消除，模擬消除通過對(duì)發(fā)送端射頻信號(hào)的處理，模擬無線自干擾信道的沖擊響應(yīng)并顛倒相位再到接受電路進(jìn)行相加實(shí)現(xiàn)（部分）抵消。最后引入一個(gè)消除電路數(shù)字補(bǔ)償系數(shù)K，與模擬的反相位信號(hào)相乘，再到接收端與經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字基帶信號(hào)相加消除剩余自干擾信號(hào)。

具體的自干擾信號(hào)消除方法在此不做過多介紹，Rice、斯坦福大學(xué)所做的抵消實(shí)驗(yàn)都取得了不錯(cuò)的成效。如何整體優(yōu)化IBFD硬件電路、能否實(shí)現(xiàn)全/半雙工適時(shí)切換的混合技術(shù)是我們今后要研究的主要方向。

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