宋新海,苗 壯

(西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077)

由于沒有線纜的束縛，無線通信適應(yīng)了人們?nèi)找嬖鲩L的移動應(yīng)用需求，成為現(xiàn)代電信行業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域。然而，無線通信也同時(shí)帶來令人頭疼的信道衰落問題，于是可以有效對抗傳輸衰落的中繼協(xié)作技術(shù)[1]應(yīng)運(yùn)而生。

傳統(tǒng)的中繼協(xié)作技術(shù)雖然具有提高傳輸速率、降低傳輸差錯和擴(kuò)大傳輸范圍等諸多益處，但其“接收-轉(zhuǎn)發(fā)”的半雙工模式也使得頻譜資源無法得到充分利用[2-3]。為此，Rankov等人提出了雙向中繼(Two-Way Relay)的概念及機(jī)制[4]，采用兩用戶節(jié)點(diǎn)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號，中繼節(jié)點(diǎn)再把接收到的混合信號廣播給兩用戶節(jié)點(diǎn)的方式，實(shí)現(xiàn)了在同一個物理信道中同時(shí)支持兩個單向通信。該機(jī)制巧妙利用任一用戶節(jié)點(diǎn)在收到中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的混合信號中減去自己信號，即可解調(diào)出另一用戶節(jié)點(diǎn)的信息，從而提升了頻譜效率。不過，該機(jī)制仍工作于半雙工模式，并非真正的同時(shí)同頻全雙工(Co-time Co-frequency Full Duplex,簡稱 CCFD)中繼技術(shù)。CCFD通信曾在很長時(shí)間內(nèi)在工程上被認(rèn)為是禁忌技術(shù)，因?yàn)榫薮蟮淖愿蓴_問題難以解決。但到了5G時(shí)代，源于頻譜資源與帶寬需求之間愈加尖銳的矛盾，同時(shí)得益于信息處理(尤其是自干擾消除)技術(shù)的快速進(jìn)步，CCFD成為5G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。相應(yīng)地，與CCFD相結(jié)合的全雙工中繼(CCFD Relay)就成為中繼協(xié)作技術(shù)的演進(jìn)方向[6]。

本文在傳統(tǒng)雙向中繼技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用正交信號內(nèi)積為零的特性，設(shè)計(jì)自干擾隔離策略，提出一種簡易的全雙工雙向中繼(CCFD Two-Way Relay, Full Two-Way Relay, 簡稱FTWR)方法，特別適用于因物聯(lián)網(wǎng)的到來而大量涌現(xiàn)的小尺寸節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)中繼協(xié)作通信。

1 系統(tǒng)模型與自干擾消除

如圖1所示，本文面向三節(jié)點(diǎn)兩跳這一典型系統(tǒng)模型展開研究，其中，兩個用戶節(jié)點(diǎn)A和B通過中繼節(jié)點(diǎn)R實(shí)現(xiàn)信息交換，要求三個節(jié)點(diǎn)都工作于同時(shí)同頻全雙工模式。

圖1 系統(tǒng)模型

要在該模型上進(jìn)行全雙工雙向中繼通信，必然產(chǎn)生強(qiáng)烈的自干擾，關(guān)鍵問題是采取怎樣的自干擾消除措施。傳統(tǒng)上，自干擾消除技術(shù)主要加諸于傳輸域、模擬域和數(shù)字域(或三者的組合)[6]。傳輸域一般采用被動隔離技術(shù)，如在收發(fā)天線之間安置屏蔽材料以增加兩者之間的電磁隔離度，或利用極化電磁波形成收發(fā)信號之間的正交，或采用波束賦形技術(shù)使得接收天線工作于發(fā)射信號空間的零點(diǎn)；傳輸域也可采用主動消除技術(shù)，如利用主動參考信號進(jìn)行干擾對消，不過這種方法需要增加一根接收天線用于從發(fā)射機(jī)提取參考信號。模擬域總是采用主動消除技術(shù)，根據(jù)模擬參考信號提取位置的不同可細(xì)分為射頻模擬和基帶模擬自干擾消除，一般是設(shè)計(jì)出單抽頭或多抽頭的自干擾消除器來消除自干擾中的直達(dá)波。與模擬域類似，數(shù)字域也采用主動消除技術(shù)，一般先利用數(shù)字信道估計(jì)器進(jìn)行信道干擾參數(shù)估計(jì)，再利用數(shù)字濾波器重建干擾信號，主要用來消除自干擾中的多徑到達(dá)波。

當(dāng)前，蜂窩網(wǎng)、IEEE網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)正在走向融合，促使超密集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，并催生了小尺寸設(shè)備大量涌現(xiàn)。顯然，上述傳統(tǒng)自干擾消除方法要么需要在收發(fā)天線之間安置屏蔽介質(zhì)，要么需要添加復(fù)雜的信號處理模塊，必然對通信設(shè)備在體積和功耗等方面提出較高要求。因此，對于體積、功耗以及成本受限的小尺寸設(shè)備，需要尋找新的自干擾消除技術(shù)以實(shí)現(xiàn)全雙工協(xié)作通信。在尋求低復(fù)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)信號的自干擾隔離方法引起研究人員的注意并得到進(jìn)一步研究[7-8]。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(kuò)展系統(tǒng)帶寬的條件下完成協(xié)作通信。該方法具有成本低、功耗小、實(shí)現(xiàn)簡單及操控靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，但可惜通信節(jié)點(diǎn)仍工作于多址接入信道(即非完全意義的全雙工)模式。

經(jīng)過深入研究，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可引入本文的系統(tǒng)模型，用于解決全雙工雙向中繼通信中的自干擾問題。傳統(tǒng)上，調(diào)制星座僅供一個用戶所用，受上述技術(shù)思想的啟發(fā)，現(xiàn)將調(diào)制星座的兩個自由度分別配置給中繼與兩個用戶，即可實(shí)現(xiàn)中繼與用戶之間的干擾隔離。這里，雖然兩個用戶之間共用同一個自由度，但在處理來自中繼的混合信號時(shí)，可像傳統(tǒng)雙向中繼那樣，通過減去自身所發(fā)送的信號來消除對另一用戶的干擾。顯然，這樣的做法只是對調(diào)制星座的一個靈活運(yùn)用，無需像傳統(tǒng)方法那樣在天線間安置隔離介質(zhì)或在收發(fā)器中添加復(fù)雜的功能模塊，故十分適合小尺寸節(jié)點(diǎn)的全雙工通信需要。另外，本方法不但可單獨(dú)使用，也可與傳統(tǒng)自干擾消除技術(shù)聯(lián)合使用，作為有益補(bǔ)充，減少其殘留自干擾，從而進(jìn)一步提升中繼系統(tǒng)的整體傳輸性能。

2 調(diào)制星座分配及對齊

根據(jù)對轉(zhuǎn)發(fā)信號處理的不同，中繼方式可細(xì)分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,簡稱AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,簡稱DF)，本文選用DF中繼。調(diào)制星座的靈活應(yīng)用是本方法實(shí)現(xiàn)自干擾消除的關(guān)鍵，其核心問題是如何利用正交信號內(nèi)積為零的特性，設(shè)計(jì)出用戶節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)對QAM星座的配置與使用方式。

圖2 調(diào)制星座映射

3 信息幀格式及傳輸協(xié)議

信息幀如圖3所示，其中每一個小方框代表一個符號，假定每幀有N個符號，調(diào)制方式采用二進(jìn)制(多進(jìn)制類似)。另外，假定在整個傳輸過程中，兩用戶A與B之間無直傳鏈路。

圖3 信息幀結(jié)構(gòu)

假定所有信道狀態(tài)服從相互獨(dú)立的平坦Rayleigh慢衰落，所有信道噪聲為加性高斯白噪聲，并且所有的信道同步已經(jīng)建立?；谇笆龅募夹g(shù)思想和星座分配方式，與信息幀相對應(yīng)的傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)如下：

(1)首先，獲得用戶節(jié)點(diǎn)A和B到中繼節(jié)點(diǎn)R的信道系數(shù)。

可通過導(dǎo)頻信號測得戶節(jié)點(diǎn)A和B到中繼節(jié)點(diǎn)N的信道系數(shù)hAR,hRA,hBR,hRB。由于系統(tǒng)工作于同時(shí)同頻模式，故信道具有互易性，可假定hRA=hAR和hRB=hBR，為行文簡便，統(tǒng)一用hAR和hBR表示。另外，因信道已經(jīng)建模為慢衰落，故在整個信息幀內(nèi)信道系數(shù)hAR和hBR保持不變。

(2)在每幀的第1個符號，用戶節(jié)點(diǎn)A和B同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)N發(fā)送信息。

(1)

由雙向中繼協(xié)議可知，中繼節(jié)點(diǎn)R處的接收信號rR(t1)為

(2)

式中：t1為符號索引，bA[1],bB[1]為兩個用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息比特，sA(t1),sB(t1)為如圖2星座點(diǎn)所示的基準(zhǔn)發(fā)送信號，R(·)表示求取實(shí)部，ηR(t1)為中繼節(jié)點(diǎn)R處的信道噪聲。

(3)

式中：sign(·)為取符號函數(shù)，γth為某一能量門限。需要說明的是，此處對混合信號采用三進(jìn)制解調(diào)，本質(zhì)上是一種重疊編碼，將在用戶節(jié)點(diǎn)A和B解調(diào)時(shí)起到去噪轉(zhuǎn)發(fā)映射的作用，如式(8)和式(9)所示。

(4)

式中：I(·)為求取虛部，ηA(tn),ηB(tn)為兩個用戶節(jié)點(diǎn)A和B處的信道噪聲。

由于信道系數(shù)的影響，在用戶節(jié)點(diǎn)處已經(jīng)失去正交性，勢必造成強(qiáng)自干擾，所以無法直接解調(diào)。但經(jīng)深入研究，發(fā)現(xiàn)在本方案下，用戶節(jié)點(diǎn)處的收發(fā)信號向量雖然已非正交，但在相位上卻具有對稱性，可利用其對稱性實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

圖4 利用對稱性解調(diào)

(5)

(6)

獲得解調(diào)值ρrA(tn)后，可按如下判決得到混合信號的信息比特：

(7)

然后，減去自己的信息，即可檢測到用戶節(jié)點(diǎn)B在n-1時(shí)刻發(fā)送的信息比特為

(8)

式中:～為模2后再取反運(yùn)算，例如～|1+1|=1和～|0-1|=0。

在用戶節(jié)點(diǎn)B處進(jìn)行平行處理，可得用戶節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的信息比特為

(9)

(c)兩個用戶節(jié)點(diǎn)A和B按公式(2)發(fā)送第n比特信息，向中繼節(jié)點(diǎn)的接收信號為

(10)

4 結(jié) 語