趙云江，喬 鋼，劉凇佐，鄭乃華，劉宇飛

（1. 哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工程大學(xué)）工業(yè)和信息化部，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

由于聲波是目前能夠在水下遠(yuǎn)距離傳播的唯一載體，水下聲學(xué)（Underwater Acoustic，UWA）技術(shù)已成為各國(guó)研究機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)之一。隨著“海上絲綢之路”宏偉計(jì)劃的推進(jìn)，我國(guó)對(duì)海洋環(huán)境安全保障等方面產(chǎn)生了迫切的需求，具體體現(xiàn)在“絲路”沿線海洋環(huán)境觀測(cè)、港口防務(wù)等方面，而上述需求對(duì)海洋信息獲取與傳輸能力提出了新的要求。水聲通信作為目前已知的唯一一種可靠遠(yuǎn)程水下無線信息傳輸技術(shù)，可以為上述需求提供解決方案，獲得了越來越多的關(guān)注、研究與應(yīng)用探索。

可于不便建設(shè)海底監(jiān)測(cè)網(wǎng)的地區(qū)投放可回收式坐底潛標(biāo)、海面浮標(biāo)，搭載水聲通信 Modem，通過水聲通信技術(shù)完成一定區(qū)域的海洋環(huán)境信息實(shí)時(shí)觀測(cè)，完成區(qū)域性要素監(jiān)測(cè)（節(jié)點(diǎn)裝置內(nèi)部或外側(cè)裝有監(jiān)測(cè)傳感器，通過傳感器獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)傳遞給岸基水聽器或水面浮標(biāo)等信息中繼、收集中心）[1]。還可應(yīng)用于港口防務(wù)，江河入?？谒|(zhì)監(jiān)測(cè)，臺(tái)風(fēng)預(yù)警（通過海面浮標(biāo)配合各類傳感器采集到的風(fēng)速等信息）、海上石油平臺(tái)原油泄漏監(jiān)測(cè)、海底火山預(yù)警、海洋生產(chǎn)活動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面[2]。

但由于水聲信道的頻譜資源嚴(yán)重受限、多普勒擴(kuò)展嚴(yán)重、較高的環(huán)境噪聲等原因[3]，造成了水下通信網(wǎng)絡(luò)的效率低下、吞吐量受限等問題。可預(yù)見的是，水聲通信網(wǎng)絡(luò)性能在未來需求的發(fā)展趨勢(shì)下，將會(huì)無法滿足日益增長(zhǎng)的水下信息交互需求。因此，如何在水聲通信帶寬嚴(yán)重受限的情況下提高水聲通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率及系統(tǒng)吞吐量，是未來水聲通信技術(shù)主要的研究方向之一。

無線電通信界為解決不斷增加的無線業(yè)務(wù)需求與日益匱乏的頻譜資源之間的矛盾，提出了同頻同時(shí)全雙工（Co-frequency Co-time Full Duplex，CCFD）概念[4-5]，這為提升水聲通信網(wǎng)絡(luò)性能提供了一種新的思路?？紤]到帶內(nèi)全雙工水聲通信公開文獻(xiàn)現(xiàn)有命名方式及突出頻譜利用率問題，在本文中，統(tǒng)一以IBFD（In-Band Full-Duplex）進(jìn)行指代。將IBFD技術(shù)應(yīng)用于UWA通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可在不增加通頻帶范圍的條件下，提高了信息交互效率，即減少了通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端到端之間信息交互的延遲時(shí)間；相比于傳統(tǒng)的半雙工水聲通信系統(tǒng)，IBFD-UWA技術(shù)可以讓通信系統(tǒng)的上、下行鏈路中增加一項(xiàng)新的可選模式，即可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)吞吐需求，靈活切換全雙工與半雙工模式，增加了網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息傳輸?shù)淖赃m應(yīng)能力；特別的是，若存在非合作監(jiān)聽單位，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送同頻段信息時(shí)，非合作監(jiān)聽單位在極大概率上將接收到兩節(jié)點(diǎn)發(fā)送的疊加信號(hào)，這使得非合作監(jiān)聽單位無法對(duì)任意節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行正確解調(diào)，進(jìn)而在一定程度上保證了通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。

目前，針對(duì)IBFD通信方面的研究主要集中在無線電通信領(lǐng)域[6]，IBFD-UWA通信技術(shù)尚處于初始研究階段，但已有部分學(xué)者對(duì)無線通信研究結(jié)果在水聲通信中的適用性展開了研究并取得了一定成果。對(duì)于IBFD-UWA通信的研究主要集中于數(shù)字干擾抵消與模擬干擾抵消方面，尚未構(gòu)成完善的理論體系且停留于理論仿真及各域性能的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，尚未研制出IBFD-UWA通信工程樣機(jī)。本文將首先對(duì)帶內(nèi)全雙工無線電、UWA通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

1 帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

在IBFD通信系統(tǒng)應(yīng)用背景中，由于節(jié)點(diǎn)的發(fā)射源與接收端位置遠(yuǎn)小于接收端與期望發(fā)射源之間的距離，又由于工作在同樣的時(shí)間及頻帶上，導(dǎo)致近端接收端將接收到強(qiáng)自干擾信號(hào)。帶內(nèi)全雙工水聲通信系統(tǒng)需要在強(qiáng)本地干擾信號(hào)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱期望信號(hào)的正確解調(diào)，因此，如何對(duì)這種強(qiáng)自干擾進(jìn)行抑制和抵消，是IBFD通信實(shí)現(xiàn)過程中需要解決的最關(guān)鍵問題。

在早期研究中，由于受限于算法及硬件性能，無法解決本地強(qiáng)同頻干擾問題，IBFD技術(shù)在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是難以實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)IBFD技術(shù)的需求最早出現(xiàn)在回聲消除等降噪領(lǐng)域，這些需求在一定程度上推動(dòng)了IBFD技術(shù)的發(fā)展，一些研究成果也成為了IBFD-UWA通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)。通信技術(shù)領(lǐng)域方面，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)（University of Bristol）首次提出了為了降低自干擾（selfinterference，SI）對(duì)接收端的影響，需要從模擬域及數(shù)字基帶域內(nèi)進(jìn)行自干擾消除，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法在中心頻率1.8 GHz、帶寬200 kHz的情況下合計(jì)獲得了72 dB的自干擾抵消效果[7]。美國(guó)斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)了一種單信道全雙工無線收發(fā)器，采用了一種新型自干擾抵消技術(shù)——天線抵消，其中包含2個(gè)發(fā)射天線與1個(gè)接收天線，兩發(fā)射天線與接收天線距離相差半波長(zhǎng)，使得干擾信號(hào)在接收天線處相互對(duì)消，實(shí)現(xiàn)了近30 dB的干擾對(duì)消，并通過與射頻域數(shù)字基帶自干擾抵消技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了60 dB的自干擾抵消效果[8]。美國(guó)萊斯大學(xué)利用實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了天線分離、模擬域自干擾抵消及數(shù)字域自干擾抵消這 3種干擾抑制及抵消手段的各類組合的效果，并通過無線通信實(shí)驗(yàn)證明了全雙工通信的可能性[9]。該實(shí)驗(yàn)基于天線分離方案在20 cm的通信距離下實(shí)現(xiàn)了39 dB的干擾衰減效果，而在天線分離分別與模擬域、數(shù)字域自干擾抵消方案的組合下，分別實(shí)現(xiàn)了70 dB及72 dB的抵消效果。同時(shí)，在對(duì)天線分離、模擬域及數(shù)字域自干擾抵消的聯(lián)合抵消方案的實(shí)驗(yàn)中得到了幾種組合方案中最佳的78 dB干擾抑制效果。

圖1 美國(guó)萊斯大學(xué)帶內(nèi)全雙工原理實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 IBFD experimental device of Rice University

萊斯大學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出若在射頻干擾抵消效果足夠好的情況下再加入數(shù)字基帶干擾抵消，反而會(huì)造成殘余干擾能量加強(qiáng)，并對(duì)這種情況進(jìn)行了分析，得出數(shù)字基帶干擾抵消中信道估計(jì)的重要性。

國(guó)內(nèi)方面，電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種2× 2全雙工 MIMO無線電演示系統(tǒng)[10]，其射頻域采用多徑自適應(yīng)抵消策略，各傳播鏈路的自干擾抵消由四抽頭濾波器實(shí)現(xiàn)，可自適應(yīng)調(diào)整衰減、時(shí)延及相位，并通過多維梯度下降搜索算法在射頻干擾重構(gòu)訓(xùn)練階段實(shí)現(xiàn)射頻域自干擾抵消最大化，數(shù)字域采用常規(guī)辦法通過對(duì)殘余干擾信道估計(jì)完成干擾重構(gòu)并實(shí)現(xiàn)抵消。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在2.535 GHz的中心頻率、20 MHz的帶寬下實(shí)現(xiàn)了115 dB的自干擾抵消效果，其中天線隔離40 dB，模擬域自干擾抵消43 dB，數(shù)字域殘余自干擾抵消32 dB。以上各研究單位學(xué)者的研究成果為全雙工通信研究領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)意義巨大，影響深遠(yuǎn)。

目前，已有多個(gè)國(guó)家展開了針對(duì) IBFD-UWA通信技術(shù)的研究，以英國(guó)為例，為了解帶內(nèi)全雙工水聲通信自干擾特性、充分探索全雙工通信系統(tǒng)潛能并實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)物理層性能增強(qiáng)，英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)于 2017-2020年展開了研究題目為《Full-Duplex For Underwater Acoustic Communications》的項(xiàng)目，分別資助了英國(guó)約克大學(xué)與紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，主要研究?jī)?nèi)容為：1）全雙工水聲通信系統(tǒng)中高效精準(zhǔn)的自干擾信號(hào)建模與分析；2）被動(dòng)及主動(dòng)全雙工水聲通信系統(tǒng)中的自干擾抵消方法；3）全雙工水聲通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)研究。研究完畢后由英國(guó)阿特拉斯電子公司（ATLAS Elektronik，UK）實(shí)現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化，并將研究成果應(yīng)用于海底資產(chǎn)維護(hù)與環(huán)境影響監(jiān)測(cè)，海洋科學(xué)與管理以及國(guó)防與國(guó)土安全等方面。

本人所在科研團(tuán)隊(duì)依托原 863項(xiàng)目研制出世界上首臺(tái)全雙工水聲通信機(jī)，在不同頻率上使用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和 OFDM調(diào)制技術(shù)發(fā)送控制包和數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證了全雙工水聲通信的可行性[11]。該通信系統(tǒng)利用分頻方案，并非CCFD通信系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為全雙工水聲通信在被動(dòng)干擾抑制、模擬干擾抵消方面具有重要的參考價(jià)值。于2019年，團(tuán)隊(duì)研制出了首臺(tái)IBFD-UWA通信工程樣機(jī)，并通過工程樣機(jī)完成了自干擾信道建模與抵消性能的理論驗(yàn)證[12]。

后文中將對(duì)對(duì)現(xiàn)有IBFD通信過程中的自干擾抵消關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與提煉，同時(shí)結(jié)合水聲通信系統(tǒng)特征，探究技術(shù)跨領(lǐng)域應(yīng)用的適用性，并探究其工程實(shí)現(xiàn)的可行性，為IBFD-UWA通信技術(shù)研究提供理論支撐與指導(dǎo)。

2 IBFD通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)概括

帶內(nèi)全雙工水聲通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)常規(guī)水聲通過系統(tǒng)不同，常規(guī)水聲通信系統(tǒng)一般只有1個(gè)收發(fā)合置換能器，以用于半雙工模式下發(fā)射和接收信號(hào)，而帶內(nèi)全雙工水聲通信系統(tǒng)除發(fā)射換能器外，還存在1個(gè)接收換能器，以保證全雙工模式收發(fā)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行收發(fā)信號(hào)時(shí)，近端發(fā)射端發(fā)射出的信號(hào)功率遠(yuǎn)大于近端接收端所接收的期望信號(hào)，這將使得期望信號(hào)無法進(jìn)入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）的動(dòng)態(tài)量化范圍之內(nèi)或有效信噪比過低導(dǎo)致無法順利解調(diào)[13]。因此，為使IBFD-UWA通信系統(tǒng)正常工作，需保證期望信號(hào)在進(jìn)入到系統(tǒng)中時(shí)，其信噪比至少要高于半雙工體制下無誤碼解調(diào)信噪比。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，雙端對(duì)發(fā)的發(fā)射功率應(yīng)保持一致，若同時(shí)增加雙端發(fā)射聲源級(jí)，則本地的自干擾信號(hào)功率將進(jìn)一增加，提高了所需完成的自干擾抵消量。因此，需在遠(yuǎn)端期望信號(hào)進(jìn)入到系統(tǒng)前對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行空間上的抑制與模擬域的抵消，以使自干擾能量與期望信號(hào)能量差距降低，進(jìn)而保證遠(yuǎn)端期望信號(hào)可完整進(jìn)入到ADC動(dòng)態(tài)量化范圍內(nèi)。因此，空間上的自干擾抑制與模擬自干擾抵消是需要研究的關(guān)鍵問題。

完成初步抵消后，殘余干擾信號(hào)與期望信號(hào)的混合信號(hào)在經(jīng)過前置放大器的放大后將進(jìn)入到系統(tǒng)的數(shù)字域中。作為自干擾抵消的最后一個(gè)步驟，需要將殘余干擾分量抵消至背景噪聲水平，以保證遠(yuǎn)端期望信號(hào)的解調(diào)效果。數(shù)字域上的干擾抵消過程主要由2部分構(gòu)成，即殘余干擾的信道估計(jì)與信號(hào)重構(gòu)。與模擬干擾抵消過程相類似，信道估計(jì)用于對(duì)完整、殘余干擾信號(hào)進(jìn)行信道參數(shù)估計(jì)，在此基礎(chǔ)上通過重構(gòu)獲得殘余信號(hào)的反相信號(hào)來進(jìn)行模擬、數(shù)字域干擾抵消。需要指出的是，在進(jìn)行干擾抵消時(shí)，信道估計(jì)的精度將直接影響干擾抵消效果，即高性能干擾抵消必須以高精度信道估計(jì)為基礎(chǔ)。自干擾信號(hào)主要由直達(dá)干擾信號(hào)、環(huán)路干擾信號(hào)和經(jīng)過海底海面反射的多徑干擾信號(hào)構(gòu)成。其中，對(duì)自干擾信道的精準(zhǔn)估計(jì)，對(duì)于提升自干抵消性能有重要的影響。因此，有必要對(duì)發(fā)射換能器到接收換能器這一傳播過程進(jìn)行信道建模研究，以充分了解自干擾信號(hào)中能量較強(qiáng)的環(huán)路自干擾傳播信道的特性，為后續(xù)各域自適應(yīng)濾波器參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)，并提高其他各域干擾抵消性能，因此可引出另一項(xiàng)IBFD-UWA通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，即傳播域自干擾信道估計(jì)與建模技術(shù)。

在實(shí)現(xiàn)IBFD-UWA通信的過程中，上述技術(shù)所解決的難點(diǎn)問題不同，同時(shí)各域間存在相互制約、相互支撐的復(fù)雜關(guān)系。從對(duì)自干擾信號(hào)的抑制、傳播與抵消流程的角度上看，可以將整個(gè)過程分為4種，即空間域自干擾抑制、傳播域自干擾信道建模、模擬域自干擾抵消、數(shù)字域自干擾抵消。其中，空間域自干擾抑制屬被動(dòng)干擾抑制手段，可進(jìn)一步提高全雙工通信系統(tǒng)對(duì)自干擾信號(hào)的抑制能力?？臻g域與傳播域在所屬空間上屬同一范疇，但在傳播域上的處理以自干擾信號(hào)在傳播過程中的信道多途結(jié)構(gòu)建模為主，因此命名為傳播域；而空間域干擾抑制主要通過物理隔離、收發(fā)指向性與天線極化等技術(shù)，屬利用空間冗余獲得增益效果，因此命名為空間域。為使其意義清晰，特在此進(jìn)行區(qū)分。

結(jié)合上述內(nèi)容，下面將從空間域自干擾抑制、傳播域自干擾信道建模、模擬域自干擾抵消、數(shù)字域自干擾抵消這3個(gè)方面對(duì)IBFD通信系統(tǒng)自干擾抑制與抵消研究現(xiàn)狀與實(shí)現(xiàn)過程中的難點(diǎn)問題進(jìn)行總結(jié)與分析，為全雙工水聲通信技術(shù)研究提供理論支撐與指導(dǎo)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與IBFD-UWA實(shí)現(xiàn)過程中的難點(diǎn)問題分析

本節(jié)將基于上述內(nèi)容，結(jié)合無線電自干擾抵消技術(shù)研究現(xiàn)狀、水聲通信系統(tǒng)特性、實(shí)際工程應(yīng)用情景對(duì)實(shí)現(xiàn)IBFD-UWA通信系統(tǒng)自干擾抑制與抵消過程中的難點(diǎn)問題進(jìn)行論述。具體包括：1）空間域自干擾抑制過程；2）傳播域自干擾信道建模過程；3）模擬域自干擾抵消過程；4）數(shù)字域自干擾抵消過程。

3.1 空間域自干擾抑制研究現(xiàn)狀與難點(diǎn)問題分析

空間域自干擾抑制過程可主要分為2種，分別為主動(dòng)干擾抑制與被動(dòng)干擾抑制。被動(dòng)干擾抑制也可稱作為無源干擾抑制，主要包括：

1）發(fā)射源與接收端物理隔離及天線指向性，如增大干擾傳播距離及將發(fā)射源與接收端指向不同方向以降低干擾強(qiáng)度；美國(guó)萊斯大學(xué)針對(duì)不同距離下全指向性及多寬度指向性下無線電載頻2.4～2.48 GHz范圍內(nèi)的被動(dòng)干擾抵消效果展開了研究[14]，全指向性發(fā)射天線在回波消除房間，50 cm及35 cm下分別獲得了27.9 dB及24.5 dB的被動(dòng)干擾抵消效果；在回波反射房間，獲得了27.6 dB及25.1 dB的抵消效果；在發(fā)射天線90°波束寬度下（50 cm）獲得了額外的17 dB的增益；并給出了被動(dòng)抑制性能受反射路徑數(shù)量影響與物理隔離會(huì)加強(qiáng)信道的頻域選擇性衰落的結(jié)論。

芬蘭阿爾托大學(xué)針對(duì)中繼天線干擾問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量[15]，結(jié)果顯示緊湊型中繼天線在回波消除室內(nèi)可獲得51 dB的被動(dòng)抑制，而在多途環(huán)境中可獲得48 dB，其中3 dB的差別來源于多途結(jié)構(gòu)，同時(shí)在天線存在指向性且發(fā)射天線與接收天線距離5 m時(shí)，可以獲得近70 dB的抑制性能。

美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)在全雙工水聲通信系統(tǒng)的論證階段假設(shè)采用帶有發(fā)射指向性的換能器，預(yù)計(jì)可獲得25 dB的抑制增益[16]。

2）多源相位控制，通過增設(shè)發(fā)射端個(gè)數(shù)并通過反相器，在接收端形成相位相反的自干擾信號(hào)，以此在接收端對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行抵消；當(dāng)干擾信號(hào)與期望信號(hào)兩者之間的相位差π時(shí)，可認(rèn)為兩信號(hào)為反相，如果它們的振幅相等，再將其合并，可對(duì)其進(jìn)行抵消，在接收端形成一個(gè)近場(chǎng)零能量域。

美國(guó)斯坦福大學(xué)采用2個(gè)發(fā)射天線及1個(gè)接收天線，對(duì)于波長(zhǎng)為λ的信號(hào)，兩發(fā)射天線分別被放置于d+λ 2 及d的位置上，以此將兩發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收天線時(shí)相差半個(gè)波長(zhǎng)，以此達(dá)到互相抵消的效果，并且在2.4 GHz下使用7英寸的天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法提供了26 dB的隔離度（5 MHz），并且結(jié)合噪聲抵消和數(shù)字干擾抵消后合計(jì)完成了60 dB的干擾抵消（20 MHz下46.9 dB，85 MHz下34.3 dB），但對(duì)于信號(hào)帶寬超過100 MHz的情況，效果不理想[8]。

3）耦合網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射端與接收端通過特定阻抗網(wǎng)絡(luò)，降低自干擾信號(hào)能量；阿爾托大學(xué)提出了一種適用于緊密間距天線的寬帶耦合網(wǎng)絡(luò)[17]，在2.4 GHz載波頻率200 MHz帶寬下獲得了17.6 dB的提高增益，55 MHz帶寬下獲得了至少30 dB的隔離度，并對(duì)整體耦合網(wǎng)絡(luò)性能和降低的整體效率進(jìn)行了討論。

4）交叉極化處理，通過對(duì)發(fā)射端與接收端的正交極化處理，減弱收發(fā)兩端的信號(hào)“傳遞”能量；

土耳其薩班奇大學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種2.4 GHz雙極性微帶寬貼片天線[18]，對(duì)其進(jìn)行了隔離性能評(píng)估，結(jié)果表明該天線可實(shí)現(xiàn)40 dB的隔離度，多層天線下可獲得60 dB的隔離度。

5）大衰減傳播介質(zhì)隔離，包括在發(fā)射端與接收端間放置傳播介質(zhì)吸收材料、反射材料等，用以加強(qiáng)收發(fā)端的隔離強(qiáng)度。

美國(guó)諾斯羅普· 格魯曼任務(wù)系統(tǒng)公司將發(fā)射陣列與接收陣列完全嵌入在金屬腔內(nèi)，并平齊安裝在地面上，以減少與附近物體和天線的相互作用，該方法獲得了大于49 dB的隔離度[19]。

一般的，空間干擾抑制都以上述幾種技術(shù)混合下進(jìn)行，如文獻(xiàn)[14]采用發(fā)射接收指向性、交叉極化、射頻吸收材料獲得了約73.8 dB的合計(jì)被動(dòng)干擾抑制性能，在多途環(huán)境下獲得了45.9 dB的抑制效果。

對(duì)于兩發(fā)射天線相差半個(gè)波長(zhǎng)以使得接收天線處的2個(gè)干擾互相抵消的方法在無線電寬頻帶通信中難以適用，但是對(duì)于水聲通信的單載波通信，有一定的參考價(jià)值，但要考慮不同情況下聲速的影響，這為設(shè)備實(shí)現(xiàn)帶來了困難。環(huán)形干擾抵消器效果良好，但會(huì)額外增加全雙工水聲通信系統(tǒng)的復(fù)雜度。而無線電耦合網(wǎng)絡(luò)為全雙工水聲通信系統(tǒng)干擾抵消提供了重要的參考價(jià)值，在干擾信號(hào)成分已知的情況下，可根據(jù)聲波頻率建立聲學(xué)耦合網(wǎng)絡(luò)，獲得較大被動(dòng)干擾已知性能，同時(shí)降低被動(dòng)干擾抵消難度，但該方法僅能對(duì)直達(dá)波進(jìn)行抑制，由于水聲信道更為復(fù)雜，且隨著設(shè)備布置環(huán)境改變而改變，且易受海底與海面的影響，因此可考慮將該技術(shù)應(yīng)用于直達(dá)聲波抑制領(lǐng)域。

關(guān)于無線電通信系統(tǒng)中的極化問題，可近似看作為發(fā)射換能器與接收水聽器旁瓣的相互影響，因此無線電中的交叉極化方法有一定借鑒作用，在完全了解發(fā)射換能器于接收水聽器的發(fā)射指向性情況下，可通過布置策略將兩者指向性正交化或交叉化，以降低干擾強(qiáng)度（目前已有單聲源發(fā)射指向性換能器的相關(guān)研究成果與成品）。圖2及圖3所述的全雙工水聲通信機(jī)都利用矢量水聽器零點(diǎn)抑制特性降低了接收到的自干擾信號(hào)強(qiáng)度。

圖2 頻分全雙工UWA通信機(jī)Fig. 2 Frequency division full-duplex UWA communication set

圖3 IBFD-UWA通信工程樣機(jī)Fig. 3 Prototype of IBFD-UWA communication set

在水聲通信系統(tǒng)中，大衰減傳播介質(zhì)一般由吸聲障板構(gòu)成，障板上不同的孔徑對(duì)應(yīng)著不同吸收頻率，如何在寬帶通信系統(tǒng)中通過吸聲障板與優(yōu)化的布置策略優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最大程度的空間域干擾抑制是值得研究的課題。

3.2 傳播域自干擾信道建模研究現(xiàn)狀與難點(diǎn)問題分析

從已公開論文統(tǒng)計(jì)及研究經(jīng)驗(yàn)來看，為了能夠達(dá)到良好抵消效果（大于60 dB的干擾抵消），需要對(duì)相對(duì)幅度達(dá)到 10-3～10-4的信道抽頭進(jìn)行精準(zhǔn)的估計(jì)，這不同于一些常規(guī)水聲稀疏信道估計(jì)方法[20]，因?yàn)樵谙∈栊诺拦烙?jì)理論中對(duì)于相對(duì)幅度極?。ㄐ∮?0-3）的信道抽頭會(huì)被省略。同時(shí)，考慮到水聲信道與無線電信道之間的差異性，本部分研究現(xiàn)狀主要以已發(fā)表的全雙工水聲通信自干擾信道模型及測(cè)量結(jié)果為主。

文獻(xiàn)[16]對(duì)自干擾信道傳播信道及全雙工水聲通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模與仿真，并且給出了不同干擾信道抽頭個(gè)數(shù)抵消后的殘余干擾仿真結(jié)果，在對(duì)信道的10個(gè)抽頭進(jìn)行抵消后，殘余干擾仍然高于接收機(jī)的噪聲下限。

英國(guó)約克大學(xué)在38 cm × 119 cm × 42 cm的塑料水箱中完成了自干擾信道的測(cè)量，給出了自干擾信道抽頭幅度包絡(luò)測(cè)量結(jié)果，該結(jié)果表明，在水箱側(cè)壁及水面的影響下干擾信道持續(xù)時(shí)間大于100 ms[21]。文獻(xiàn)[22]對(duì)自干擾信道進(jìn)行了海試測(cè)量，并對(duì)不同收發(fā)距離下的自干擾信號(hào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)多途干擾的到達(dá)時(shí)延及多途強(qiáng)度進(jìn)行了建模與擬合，測(cè)試結(jié)果表明，多途干擾經(jīng)過200 ms的多次反射和傳播后，強(qiáng)度下降近60 dB[22]。文獻(xiàn)[23]采用雙聲障板與雙接收水聽器進(jìn)行辯證實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明近端接收端接收到的自干擾信號(hào)近72%的能量來源于自干擾信號(hào)的直達(dá)分量，因此針對(duì)自干擾信號(hào)直達(dá)部分的信道估計(jì)與抵消是極其重要的。

不同于上述研究假設(shè)與結(jié)論，2019年，本人所在科研團(tuán)隊(duì)考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，水聲通信機(jī)殼體對(duì)自干擾傳播信道的影響，關(guān)注于環(huán)路自干擾，在頻域上對(duì)自干擾傳播過程進(jìn)行了有限元仿真，得到了通頻帶內(nèi)不同子載波頻率聲波激勵(lì)下殼體散射頻域穩(wěn)態(tài)解，并計(jì)算出相應(yīng)的傳播過程信道沖激響應(yīng)，研究結(jié)果表明了自干擾信道的復(fù)雜性[24]。

然而，上述文獻(xiàn)，除科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表的文獻(xiàn)[12，24]外，都對(duì)發(fā)射端到接收端這一短程信道進(jìn)行了省略，但在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射換能器到接收換能器這一短程傳播信道會(huì)受到通信機(jī)影響，形成復(fù)雜的傳播過程。因此，有必要對(duì)發(fā)射換能器到接收換能器這一傳播過程進(jìn)行信道建模研究，以充分了解自干擾信號(hào)中能量較強(qiáng)的環(huán)路自干擾傳播信道的特性，為后續(xù)各域自適應(yīng)濾波器參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)，以提高其他各域干擾抵消性能。

3.3 模擬域自干擾抵消研究現(xiàn)狀與難點(diǎn)問題分析

常規(guī)的模擬干擾抵消方法主要分為如下幾類：

1）時(shí)域模擬自干擾抵消技術(shù)，干擾信號(hào)由不同時(shí)延、不同幅度及不同相位的發(fā)射信號(hào)構(gòu)成，因此根據(jù)模擬干擾抵消器的抽頭數(shù)目可分為單抽頭干擾抵消及多抽頭干擾抵消；

英國(guó)劍橋微軟研究院對(duì)干擾信號(hào)能量進(jìn)行了測(cè)量，并在LNA（Low noise preamplifier，低噪聲放大器）之前通過時(shí)域模擬干擾抵消得到了30 dB的抵消效果[25]。但該方法受限于多途環(huán)境的復(fù)雜度，當(dāng)多途成分較多，且能量較大時(shí)，單抽頭干擾抵消性能較差。

美國(guó)英特爾公司提出了一種完全閉環(huán)的多途干擾抵消技術(shù)[26]，完全在模擬域完成，系統(tǒng)采用了基于最速下降的迭代估計(jì)算法，來對(duì)不同延遲的信號(hào)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)和幅度調(diào)節(jié)，該方法可以在一定程度上抵抗相位噪聲，不需要而外的天線配置，可應(yīng)用于寬帶信號(hào)，并且其性能與發(fā)射鏈中的射頻損耗無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了2 GHz載波頻率，10 MHz帶寬下的模擬干擾抵消，得到了超過25 dB的干擾抵消效果。

2）頻域模擬自干擾抵消技術(shù)，基本架構(gòu)與時(shí)域模擬干擾抵消技術(shù)相類似，但其成分不是衰減器與時(shí)延器構(gòu)成，其是由可調(diào)窄帶濾波器、可變衰減器組成，可以獨(dú)立改變各子帶濾波器的頻率、相位相應(yīng)，與干擾信號(hào)的相應(yīng)所匹配；該方法的顯著優(yōu)勢(shì)是，獨(dú)立抽頭的模塊可以被省略，所以該方法可以簡(jiǎn)化模擬干擾抵消電路的復(fù)雜度。

3）數(shù)字輔助式模擬干擾抵消方法，其結(jié)構(gòu)與時(shí)域、頻域模擬自干擾抵消都不同，這種技術(shù)可應(yīng)對(duì)復(fù)雜信道、可具備較多的抽頭數(shù)量、抽頭幅度及時(shí)延自適應(yīng)性。不同于以上3種方法，其對(duì)干擾信號(hào)的抽頭成分的計(jì)算和調(diào)整是在數(shù)字域完成的。與模擬域干擾抵消相比，數(shù)字輔助可以提供對(duì)干擾信號(hào)中更多抽頭的抑制。由數(shù)字域控制的延遲和幅度相位，有效地提高了整體抵消器的靈活性。

芬蘭坦佩雷理工大學(xué)針對(duì)自干擾信號(hào)中的非線性失真成分，首先進(jìn)行非線性失真建模，利用PA輸出通道信號(hào)作為參考信號(hào)，構(gòu)成相同抽頭分量、相位相反的消干擾信號(hào)，在接收端LNA之前完成模擬域抵消。利用 3階非線性模型，在2 120 MHz載波頻率上實(shí)現(xiàn)了相比于線性模型下額外近21 dB的抵消效果，在模擬域可以獲得超過35 dB的抵消效果[27]。

中國(guó)電子科技大學(xué)利用非線性模型下的信號(hào)代替本地參考信號(hào)，采用兩步信道估計(jì)算法（非線性失真模型、傳播信道）[28]，在7階非線性模型下獲得了額外超過20 dB的模擬干擾抵消增益（相比于發(fā)射端合計(jì)完成了 38 dB的模擬干擾抵消性能）。需要指出的是，該方法隨著發(fā)射功率的變化，抑制性能變化不超3 dB。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，可以得出結(jié)論，即數(shù)字輔助模擬干擾抵消性能最佳，但其增加了一定的設(shè)備復(fù)雜度，由于全雙工水聲通信系統(tǒng)存在大時(shí)延、幅度衰落相較無線電較慢、信道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，所以僅單抽頭模擬干擾抵消方法并不適用。同樣的，由于不同深度、不同海洋環(huán)境下的多途結(jié)構(gòu)不同，且易受海面波動(dòng)、溫度等因素的影響，在如此劇烈的時(shí)變、空變的多途結(jié)構(gòu)影響下，固定式多抽頭模擬干擾抵消有著極大的局限性，即使在有參考信號(hào)的基礎(chǔ)上，仍然需要對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行一定的處理，以在最大程度上模擬接收端接收到的干擾信號(hào)，從而降低強(qiáng)自干擾。由于發(fā)射端信號(hào)需要經(jīng)過功率放大器與換能器才能發(fā)出可在水下傳播的高功率信號(hào)，并且功率放大器與換能器都具有一定非線性失真，因此，除了自干擾信號(hào)的傳播信道影響外，還要考慮功率放大器的失真與換能器對(duì)不同頻率信號(hào)的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線變化，除此之外還需考慮海面、海底反射信號(hào)的影響。

為了能夠適用復(fù)雜多變的多途信道環(huán)境，數(shù)字輔助模擬干擾抵消更適用于IBFD-UWA通信系統(tǒng)中。由于適用于低頻寬帶發(fā)射換能器的功放（特別是D類或T類功放）具有較大的非線性失真分量，同時(shí)考慮到全雙工水聲通信系統(tǒng)近端干擾信道復(fù)雜特性，因此，有2種途徑可作參考。

1）針對(duì)非線性失真分量，采用 PA通道后續(xù)信號(hào)作為參考信號(hào)（結(jié)合直接耦合方法），先進(jìn)行模型估計(jì)，而后在IBFD-UWA通信系統(tǒng)中，對(duì)傳播過程中的多途結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為精準(zhǔn)的測(cè)量，同時(shí)以此作為先驗(yàn)知識(shí)，以獲得更適用于IBFD-UWA通信系統(tǒng)、更具效率的模擬干擾抵消效果。其區(qū)別在于，進(jìn)一步地降低了數(shù)字輔助過程的復(fù)雜度，提高了數(shù)字輔助式模擬干擾抵消的調(diào)整效率。

2）可通過含有衰減器的輔助鏈路獲得功放輸出信號(hào)，引入到數(shù)字域內(nèi)，以求得較為精準(zhǔn)的功放非線性模型，在獲得非線性失真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真補(bǔ)償處理，使其通過功放后的非線性失真減弱，再采用功放通道后續(xù)信號(hào)作為參考信號(hào)，可以獲得降低了非線性失真影響的模擬干擾抵消效果。

以上 2種途徑的區(qū)別在于對(duì)非線性失真成分的處理的步驟，及非線性失真成分獲取來源。

3.4 數(shù)字域自干擾抵消研究現(xiàn)狀與難點(diǎn)問題分析

一般地，完成傳播域干擾信道建模及模擬自干擾抵消后，絕大部分自干擾信號(hào)線性分量已經(jīng)得到抵消，但其能量仍遠(yuǎn)大于期望信號(hào)。此時(shí)，殘余信號(hào)的成分包括但不限于：直達(dá)抵消殘余分量、多途抵消殘余分量、發(fā)射機(jī)噪聲抵消殘余分量及非線性影響殘余分量。而針對(duì)上述分量，可對(duì)數(shù)字域自干擾抵消研究?jī)?nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要分類，即

1）線性信道模型。

美國(guó)斯坦福大學(xué)提出了一種利用 LS算法估計(jì)信道的數(shù)字自干擾抵消方案，可以得到20 dB的抵消效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自干擾抵消[29]。

2）參考信號(hào)輔助型。

文獻(xiàn)[21]采用PA輸出通道信號(hào)作為參考信號(hào)，采用RLS-DCD（dichotomous coordinate descent）算法，其收斂速度與經(jīng)典 RLS的算法近似，數(shù)值穩(wěn)定且復(fù)雜度低，適合設(shè)備實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用PA輸出通道信號(hào)作為參考信號(hào)時(shí)，可以獲得額外23 dB的干擾信號(hào)抑制性能，并且指出，除功放外的非線性失真分量對(duì)該方法產(chǎn)生了限制作用（前置放大器等）。芬蘭坦佩雷理工大學(xué)以 PA輸出通道信號(hào)作為參考信號(hào)，結(jié)合非線性信道模型，獲得了額外20 dB的干擾抑制效果[30]。

3）非線性信道模型。

芬蘭坦佩雷理工大學(xué)提出一種新穎的廣泛線性數(shù)字自干擾消除處理辦法，利用廣泛線性最小二乘參數(shù)估計(jì)和廣泛線性數(shù)字抵消，達(dá)到最大58 dB的數(shù)字自干擾抵消效果，顯著提高了全雙工通信機(jī)的性能[31]。

阿根廷國(guó)立南方大學(xué)通過預(yù)失真處理，使PA的非線性特性線性化，使其能夠在其省電區(qū)域內(nèi)工作，并具有適度的帶外失真，采用 Wiener-Hammerstein模型來表示PA失真及自干擾信號(hào)信道，這種方法不需要額外的輔助模擬發(fā)射信號(hào)來估計(jì)PA的響應(yīng)，而采用自干擾信號(hào)來進(jìn)行估計(jì)。采用兩步式算法，首先通過低峰均比訓(xùn)練序列來估計(jì)線性分量，第 2步識(shí)別額外的非線性分量及線性分量[32]。

本人所在科研團(tuán)隊(duì)于2018年提出了一種異步IBFD-UWA系統(tǒng)的數(shù)字自干擾抵消算法[33]，實(shí)驗(yàn)證明基于 OP-RLS算法的數(shù)字自干擾抵消技術(shù)可以有效消除由功放引起的非線性失真，提高水下網(wǎng)絡(luò)頻譜效率。同年，本團(tuán)隊(duì)提出一種具有稀疏約束的 ML算法來實(shí)現(xiàn)稀疏自干擾信道的數(shù)字干擾抵消[34]，文獻(xiàn)中對(duì)該方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到最大43 dB的數(shù)字自干擾抵消效果，較LS算法相比收斂更快、抵消效果更好。

4）接收數(shù)字波束形成技術(shù)。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)提出了一種適用于 MIMO系統(tǒng)（2*2）的數(shù)字波束形成技術(shù)，該技術(shù)同樣適用于全雙工通信領(lǐng)域[35]。此外還提出了一種頻率平移的任意空間濾波技術(shù)[36]，可以在基帶產(chǎn)生任意空間頻率響應(yīng)，為后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供保護(hù)防止飽和現(xiàn)象的發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，可以得出結(jié)論，即數(shù)字干擾抵消需考慮PA非線性失真、殘余分量信道建模、相位噪聲、量化噪聲等問題。在IBFD-UWA通信系統(tǒng)中，還需考慮其他器件如前置放大器等因素的非線性成分。因此，如果想最大程度提高數(shù)字干擾抵消效果，需考慮以上所有因素在內(nèi)，減少限制項(xiàng)。

從“模擬+數(shù)字”干擾抵消的整體上看，部分參考文獻(xiàn)指出，若模擬干擾抵消效果過好，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字干擾抵消性能的下降，分析可知，這種結(jié)果是2個(gè)方面原因造成的：1）殘余信號(hào)的能量已經(jīng)過低，導(dǎo)致信道估計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確；2）殘余信號(hào)與參考信號(hào)已存在較大差異，出現(xiàn)匹配失真現(xiàn)象，以參考信號(hào)進(jìn)行殘余干擾信號(hào)信道建模無法得到精準(zhǔn)的信道估計(jì)結(jié)果。因此，在模擬域干擾抵消的基礎(chǔ)上，且保證期望信號(hào)解調(diào)所需信噪比的情況下，如何保證殘余帶內(nèi)干擾信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高數(shù)字域干擾抵消性能，是需要解決的關(guān)鍵問題。

4 IBFD-UWA通信技術(shù)研究展望

雖然無線全雙工通信技術(shù)對(duì)全雙工水聲通信技術(shù)具有極高的參考價(jià)值和借鑒作用，但由于水聲通信系統(tǒng)與無線電通信系統(tǒng)在載波頻率、信道復(fù)雜度、設(shè)備器件影響等方面存在較大差別，如相位噪聲影響極其有限，自干擾信道特征不同，無法采用天線干擾對(duì)消等。同時(shí)，由于水聲信道存在時(shí)變效應(yīng)，特別是海面起伏等因素的影響下，需對(duì)自干擾信道進(jìn)行重新估計(jì)以保證干擾抵消性能。

在此，基于上述研究現(xiàn)狀與難點(diǎn)問題分析，對(duì)IBFD-UWA通信技術(shù)研究發(fā)展進(jìn)行展望，提出部分研究方向：

1）IBFD-UWA通信機(jī)殼體設(shè)計(jì)與接收端布放策略，通過對(duì)殼體結(jié)構(gòu)等參數(shù)的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最佳的環(huán)路自干擾抑制，以降低后續(xù)模擬域、數(shù)字域自干擾抵消壓力；

2）結(jié)合聲場(chǎng)特性與吸聲材料，最大化的實(shí)現(xiàn)發(fā)射端與近端接收端的隔離；

3）以接收陣列為基礎(chǔ)，結(jié)合波束成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)強(qiáng)度的抑制與遠(yuǎn)端期望信號(hào)信噪比的增強(qiáng)；

4）進(jìn)一步研究功率放大器、前置放大器、衰減器、減法器對(duì)模擬域自干擾抵消的影響，以研究結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步克服硬件性能限制的影響實(shí)現(xiàn)高效模擬自干擾抵消；

5）研究淺海環(huán)境快速時(shí)變信道下的數(shù)字域自干擾抵消算法，提高自適應(yīng)濾波器權(quán)值系數(shù)跟蹤速度；

6）緊密貼合硬件條件與限制，平衡模擬域與數(shù)字域間的關(guān)系，并進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景下的信道特征，以在實(shí)際環(huán)境中獲得最佳的自干擾抵消性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

IBFD-UWA通信技術(shù)可顯著提高頻譜利用率，并可大幅提高水聲通信與網(wǎng)絡(luò)性能，該項(xiàng)技術(shù)在軍用及民用領(lǐng)域都具備著廣闊的發(fā)展前景與極高的應(yīng)用價(jià)值。而目前，公開的報(bào)道及文獻(xiàn)中尚未出現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)公里級(jí) IBFD-UWA通信的工程樣機(jī)與技術(shù)，因此IBFD-UWA通信技術(shù)尚不具備實(shí)際應(yīng)用的條件，但在研究過程中的一些成果可應(yīng)用于連續(xù)干擾消除、多徑干擾抵消等方面。

在最終實(shí)現(xiàn)IBFD-UWA通信的道路上仍將存在諸多本文未提及之難題，但以目前發(fā)展情況來看，未來幾年內(nèi)必將實(shí)現(xiàn)公里級(jí)IBFD-UWA通信，而其在工程上的應(yīng)用，將為水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能帶來飛躍的提升。