宋新海， 苗 壯， 和 亮

(西安外事學院 工學院，陜西 西安 710077)

在眾多提高系統(tǒng)性能的技術(shù)中，中繼與協(xié)作技術(shù)由于能以方便靈活的方式獲取可觀的路損、分集及復用增益，成為現(xiàn)代無線網(wǎng)絡領(lǐng)域最具潛力的通信技術(shù)。傳統(tǒng)中繼技術(shù)雖然可利用中繼節(jié)點的處理能力來增強系統(tǒng)性能，但其“接收—轉(zhuǎn)發(fā)”的半雙工模式也帶來傳輸有效性的損失，并增加了傳輸時延，故尋求更高傳輸效率成為中繼領(lǐng)域的研究重點[1-2]。與此同時，隨著電子元器件及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線通信中的自干擾消除能力得到顯著提升，曾經(jīng)被認為禁忌的同時同頻全雙工(Co-time Co-frequency Full Duplex， 簡稱CCFD)技術(shù)，正成為 5G 時代解決通信流量增長與頻譜資源匱乏矛盾的重要途徑[3]。于是，具有全雙工和中繼雙重優(yōu)勢的同時同頻全雙工中繼(CCFD-Relay，簡稱CCFD-R)系統(tǒng)應運而生，并受到廣泛關(guān)注[4]。

全雙工系統(tǒng)的核心問題——自干擾消除技術(shù)的研究主要集中于傳輸域、模擬域、數(shù)字域三個方向[5]，目前總體上可以達到上百 dB 的自干擾消除能力，一定程度上已經(jīng)能夠滿足多數(shù) CCFD-R 系統(tǒng)的應用需要。但由于研究工作的路徑依賴性，現(xiàn)有全雙工中繼技術(shù)因歷史原因多面向宏基站等基礎設施，對網(wǎng)絡節(jié)點在尺寸、成本以及功耗等方面有著較高要求[6]。另一方面，5G 突破了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的界限，成為移動網(wǎng)絡、IEEE 網(wǎng)絡以及物聯(lián)網(wǎng)的有機融合，導致網(wǎng)絡架構(gòu)與通信技術(shù)發(fā)生巨大變化。最明顯地，在增強型移動寬帶(enhanced Mobile Broadband， 簡稱eMBB)、超可靠低時延通信(Ultra Reliable Lower Latency Communication，簡稱URLLC)和大規(guī)模機器類通信(massive Machine Lower Latency Communications， 簡稱mMTC)這三大5G應用場景中[7-8]，后兩者都是針對物聯(lián)網(wǎng)的，從而帶來眾多的小尺寸網(wǎng)絡節(jié)點進行全雙工通信的需求。小尺寸節(jié)點與前述的宏基站等基礎設施的物理屬性及功能特性差異很大，傳統(tǒng)全雙工技術(shù)難以適用或成本太高。例如，現(xiàn)有的自干擾消除技術(shù)算法復雜，對設備的功耗要求高，并且通常需要在收、發(fā)天線之間需設置隔離。上述種種對傳統(tǒng)基站來說，不構(gòu)成多大困難，但卻難以應用于受體積、硬件復雜度及功耗等諸多限制的小尺寸設備上。于是，研究適合小尺寸設備的低復雜度、低成本和低功耗的 CCFD-R 中繼系統(tǒng)就成為目前中繼技術(shù)領(lǐng)域的熱點問題。

面對因物聯(lián)網(wǎng)的到來而不斷涌現(xiàn)的大量小尺寸節(jié)點的全雙工中繼通信需求，目前主要的自干擾解決方法是嘗試更加微小的天線模組和設計更加巧妙的信號處理方法，或者設計低功耗、低復雜度的自干擾消除結(jié)構(gòu)[9-10]，如在接收端使用輔助鏈路的全數(shù)字自干擾消除結(jié)構(gòu)。這些努力雖然取得了一些效果，但仍存在諸多問題，如天線模組小型化需待以時日、全數(shù)字自干擾消除結(jié)構(gòu)存在有限精度 ADC 飽和問題等等。在尋求低復雜度和高性能中繼協(xié)作技術(shù)的研究中，一種基于正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation， 簡稱QAM)信號的自干擾消除方法引起研究人員的注意[11-13]。該方法將 QAM 信號的兩個分量分配給不同用戶，利用其內(nèi)積為零的特性，可在不擴展系統(tǒng)帶寬的條件下完成協(xié)作通信。該方法既可獨立應用，也可與現(xiàn)有全雙工技術(shù)配合使用，技術(shù)潛力巨大，但可惜目前通信節(jié)點仍工作于多址接入信道(即非完全意義的全雙工)模式。依據(jù)筆者的研究，這種基于正交調(diào)制的協(xié)作分集技術(shù)具有成本低、功耗小、實現(xiàn)簡單和操作靈活等特色與優(yōu)勢，比較適合小尺寸節(jié)點的需要，若將其技術(shù)思想用于同時同頻全雙工中繼解決方案，完全有可能為當前海量小尺寸設備構(gòu)建一種實現(xiàn)同時同頻全雙工中繼系統(tǒng)的新方法?；诖耍疚尼槍θ?jié)點兩跳無線網(wǎng)絡，利用正交調(diào)制信號分量之間內(nèi)積為零的特性，提出基于 QAM 信號的同時同頻全雙工中繼系統(tǒng)模型，并設計傳輸策略及其配套的星座使用方式與信息幀格式，從而構(gòu)建一種適合大量小尺寸設備的低成本、低功耗和低復雜度的同進同頻全雙工中繼通信方法。

1 系統(tǒng)模型及技術(shù)方案

如圖 1 所示，以三節(jié)點兩跳無線網(wǎng)絡這一典型系統(tǒng)模型作為研究對象，信源節(jié)點 S 在中繼節(jié)點 R 的協(xié)助下向信宿節(jié)點 D 傳輸信息，且假定兩個用戶節(jié)點之間無直傳鏈路。為使這一中繼系統(tǒng)工作于全雙工方式，傳統(tǒng)的自干擾消除方法有：①在傳輸域通過天線設計，隔離、降低或?qū)ο瞻l(fā)天線之間的電磁耦合；②在模擬域采用多抽頭射頻干擾抑制、射頻模擬干擾消除等技術(shù)，構(gòu)建與自干擾信號幅相反的對消信號；③在數(shù)字域通過數(shù)字信道估計器和數(shù)字濾波器重構(gòu)經(jīng)過空中接口的自干擾信號，并實現(xiàn)對該干擾的消除。這些方法通常需在通信收發(fā)機上增加復雜的器件以實現(xiàn)相應的功能，對于宏基站等基礎設施不存在多大困難，但對于物聯(lián)網(wǎng)時代大量涌現(xiàn)的小尺寸通信節(jié)點，由于受體積、功率、功耗以及成本等影響，往往難以應用。

圖1 系統(tǒng)模型

為此，本文在深入研究基于正交信號的協(xié)作技術(shù)的基礎上，將其應用于全雙工系統(tǒng)，提出一種適合小尺寸節(jié)點的解決方案。不同于傳統(tǒng)的采用復雜干擾隔離或復雜干擾消除技術(shù)，本方案利用 QAM 信號不同分量之間的正交性對工作于同一時間和同一頻段的自干擾進行隔離。具體如圖2所示，將同向分量分配給信源 S，將正交分量分配給中繼 R，兩個結(jié)點在同一星座的不同分量上進行信息傳遞，從而實現(xiàn)中繼協(xié)作。根據(jù)中繼節(jié)點對接收信號的不同處理方式，可細分為 AF(Amplify and Forward， 簡稱AF)中繼和 DF(Decode and Forward，簡稱DF)中繼，本文選用 DF 方式(采用 AF 方式的技術(shù)原理類似，只是在中繼節(jié)點由圖2中的星座映射改為希爾伯特變換)。本方案特點在于改變了以往將 QAM 信號由某一個用戶獨占的做法，而令信源節(jié)點 S 和中繼節(jié)點 R 共用同一個星座，具體為 I 分量分配給 S 和 Q 分量分配給 R(反之亦可)。這樣，信源和中繼各用 QAM 信號的一個自由度，由于兩者內(nèi)積為零，實現(xiàn)了自干擾的有效隔離，從而整個系統(tǒng)可以工作于同時同頻模式之下。這一技術(shù)無需像傳統(tǒng)干擾消除方法那樣為通信收發(fā)機增加笨重的物理隔離設備或復雜的軟硬件，而只是對現(xiàn)有通信收發(fā)機在工作方式上的靈活使用，幾乎不增加額外的物理模塊，故特別符合小尺寸通信節(jié)點的體積小、功耗低和成本低的特點及要求。另外，本方法與傳統(tǒng)自己干擾消除技術(shù)沒有沖突之處，故將兩者可結(jié)合使用，以取得更好的系統(tǒng)增益，所以本方法不但適用于小尺寸設備，也可作為大尺寸設備的自干擾消除的有益補充，減少其殘留自干擾，從而進一步提升中繼系統(tǒng)的傳輸性能。

圖2 單向中繼調(diào)制星座映射

圖2中，Eb表示信源節(jié)點S或中繼節(jié)點R的每比特傳輸能量，兩者采用相同的發(fā)送功率。

2 傳輸協(xié)議設計

本文假定，各節(jié)點都配置兩根天線，一根用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一根用于接收數(shù)據(jù)(也可以只配置一根收發(fā)共體天線，但需設計一個環(huán)路器進行隔離，這與兩根天線相比只是自干擾程度有所差別，但本質(zhì)一樣，為便于表述本文以兩根天線為例)。

假定所有信道狀態(tài)服從相互獨立的平坦Rayleigh慢衰落，所有的信道同步已經(jīng)建立，接收端完全知道有關(guān)的信道狀態(tài)信息，所有信道的噪聲為加性高斯白噪聲(AWGN)。針對如圖1所示的系統(tǒng)模型和圖2所示的星座使用方式，可設計如圖3所示的傳輸方案，其中，假定每幀有N個時隙，調(diào)制方式假定為二進制(多進制類似)。

圖3 單向中繼信息幀結(jié)構(gòu)

(1)通過導頻信息獲得S到R和R到D相應的信道系數(shù)hS，R和hR，D，由于假定信道是慢衰落，故在一個信息幀內(nèi)信道系數(shù)hS，R和hR，D保持不變。

(2)在每幀的第1個時隙，信源節(jié)點S在QAM信號的同相分量上同時發(fā)送第一比特信息，中繼節(jié)點R的接收信號rR(ti)為

(1)

式中：ti，i=1，2，…，N,表示時隙索引；bS[i]，i=1，2，…，N,為信源節(jié)點發(fā)送比特；s(ti)為歸一化復基帶波形；R(·)表示求取實部；ηR(ti)為中繼節(jié)點R處的信道噪聲。

(3)在每幀的第n(1

(2)

(3)

式中：I(·)表示求取虛部；ηD(ti)為信宿節(jié)點D處的信道噪聲。

(4)

信源節(jié)點S按步驟(1)中的方法發(fā)送第n比特信息：

rR(tn)=hS，RbS[n]R(s(tn))+ηR(tn)

(5)

(6)

3 工程應用分析

傳統(tǒng)上，QAM 星座總是作為一個整體分配給某一用戶使用，本文將其進行拆解并分配給兩個通信節(jié)點，從而實現(xiàn)了一種簡易的全雙工中繼方法。如前所述，該方法無需復雜的干擾消除設備和處理模塊，故特別適用于海量小尺寸物理網(wǎng)絡通信節(jié)點。但同時也應注意到，這種對 QAM 星座的使用方式在工程應用中也會帶來一些問題，根據(jù)研究，主要從如下兩個方面加以分析：

(1)星座對齊問題。傳統(tǒng)上，QAM 星座承載某一個節(jié)點的信息，信息衰落對其產(chǎn)生的影響是整體性的，故一般認為其在傳輸過程中不同分量之間不會失去正交性。對于本方案模型來說，不同用戶使用同一調(diào)制星座，因信道衰落系數(shù)的影響，會在中繼節(jié)點產(chǎn)生星座分量的相對偏差，從而使 QAM 星座的分量失去正交性，從而引起系統(tǒng)性能下降。在本方案中，假定信道系統(tǒng)可以理想估計，在發(fā)送端或接收端進行反向修正進行解決。為此，可在信源節(jié)點發(fā)送時，根據(jù)信道衰落情況，采用預信道發(fā)送補償方法，亦即在發(fā)送時對發(fā)送信號根據(jù)信道系統(tǒng)加以補償，使之在中繼節(jié)點處保持正交。

(2) IQ 不平衡問題。理想情況下，同相和正交分量具有 90°相位差，但在實際的通信系統(tǒng)中，通常難以達到上述理想情況，因此產(chǎn)生 IQ 不平衡問題。對于本技術(shù)方案，IQ 不平衡問題呈現(xiàn)出兩個新的特性：一是傳統(tǒng) IQ 不平衡產(chǎn)生于同一發(fā)射機(或接收機)，而本技術(shù)方案的 IQ 不平衡則來自不同的發(fā)射機(或接收機)，這對該問題的處理帶來了額外復雜性，這是不利的一面；二是傳統(tǒng) IQ 兩路信號承載同一通信節(jié)點的信息，故兩路信號在承載信息上是相關(guān)的，而在本技術(shù)方案中，IQ 兩路維度被分配給了不同的用戶，相互之間在承載信息上是不相關(guān)的，這一特性將對 IQ 不平衡問題帶來有利的一面。經(jīng)研究，擬考慮收-發(fā)投影檢測法加以解決，亦即接收信號向發(fā)送信號的法線上投影，并對該投影進行檢測，能夠取得很好的效果，同時可有效避免因接收信號淹沒在發(fā)送信號中而導致的傳統(tǒng)數(shù)字自干擾消除方法的 ADC 飽和等問題。

4 結(jié) 語

本文就小尺寸設備如何實現(xiàn)簡易中繼通信展開研究，提出了一種基于QAM信號的全雙工中繼技術(shù)。該技術(shù)幾乎不用對通信收發(fā)機增設硬件，也無需傳統(tǒng)自干擾消除復雜的軟件算法，只需對QAM星座加以靈活利用，故成本低、額外功耗有限、對設備體積無特別要求，特別適用于小尺寸設備進行全雙工中繼協(xié)作通信。另外，本技術(shù)還可作為現(xiàn)有全雙工干擾消除技術(shù)的有益補充，減少其殘留自干擾，進一步提升中繼系統(tǒng)的傳輸性能。由于物聯(lián)網(wǎng)的到來而催生的小尺寸通信節(jié)點大量涌現(xiàn)，故本技術(shù)推廣前景廣闊，工程應用價值突出，后續(xù)將重點針對其性能分析與工程應用展開進一步研究。