李 彤 沈 瑩 潘文生 邵士海 唐友喜

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 611731)

1 引言

同時(shí)同頻全雙工利用相同的頻譜同時(shí)傳輸上下行數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的半雙工通信相比，能夠有效利用頻譜資源，頻譜利用率最大可以提升1倍[1]。由于全雙工通信設(shè)備收發(fā)同時(shí)同頻，本地發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)本地接收機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的自干擾[2]。目前，自干擾抑制方法主要分為3類：空域自干擾抑制[3–5]、模擬域自干擾抑制[6–8]和數(shù)字域自干擾抑制[9–12]。

在數(shù)字域自干擾抑制中，針對(duì)多載波信號(hào)，通常在頻域進(jìn)行自干擾信道估計(jì)、重建和抵消[13,14]，但是該方式要求有用信號(hào)與自干擾信號(hào)多徑之間的最大時(shí)差小于循環(huán)前綴長度(Cyclic Prefix, CP)，即達(dá)到同步狀態(tài)，否則有用信號(hào)與自干擾信號(hào)處于異步狀態(tài)，造成子載波正交性破壞，產(chǎn)生符號(hào)間干擾和載波間干擾，嚴(yán)重影響抑制性能。針對(duì)這一問題，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)時(shí)間異步數(shù)字域自干擾抑制方法進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)[15]針對(duì)Wi-Fi放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼場景提出了時(shí)間異步自干擾抑制，在自干擾信道估計(jì)時(shí)，利用清除發(fā)送(Clear-To-Send, CTS)協(xié)議切換至半雙工模式避免有用信號(hào)對(duì)自干擾信道估計(jì)的干擾；在重建自干擾信號(hào)時(shí)，通過對(duì)本地自干擾信號(hào)進(jìn)行延時(shí)調(diào)整以重建相對(duì)時(shí)延的影響。然而，針對(duì)大帶寬信號(hào)、多徑豐富的場景，該方式需要對(duì)每條徑進(jìn)行估計(jì)并重建抵消，復(fù)雜度高，抵消能力受限。文獻(xiàn)[16]考慮了在頻域?qū)崿F(xiàn)時(shí)間異步自干擾抑制，在自干擾信道估計(jì)時(shí)，通過自干擾導(dǎo)引前額外添加保護(hù)間隔的方式，避免有用信號(hào)與自干擾信號(hào)重疊，從而保證自干擾導(dǎo)引的正交性，使信道估計(jì)準(zhǔn)確；在重建自干擾信號(hào)時(shí)，根據(jù)相對(duì)時(shí)延調(diào)整本地時(shí)域自干擾信號(hào)，在頻域與估計(jì)的信道響應(yīng)相乘，復(fù)雜度低。然而，由于信息傳輸部分沒有額外的保護(hù)間隔，影響了自干擾抑制性能。

在上述研究中，兩種方法均對(duì)信道估計(jì)方式進(jìn)行了改進(jìn)，在時(shí)間異步場景下能獲得準(zhǔn)確的信道估計(jì)。在自干擾信號(hào)重建時(shí)，均通過調(diào)整本地自干擾副本延時(shí)以提升自干擾重建精確程度，但在時(shí)間異步場景下進(jìn)行頻域重建時(shí)，接收信號(hào)中的有用信號(hào)部分與自干擾信號(hào)部分子載波不能同時(shí)保持正交性，該重建方式仍受到相對(duì)時(shí)延的影響，與時(shí)間同步場景相比，抑制性能下降。

針對(duì)時(shí)間異步場景下干擾抵消性能下降的問題，本文在保證接收端有用信號(hào)與自干擾信號(hào)估計(jì)導(dǎo)引正交的情況下，首次對(duì)時(shí)間異步全雙工數(shù)字域分段卷積自干擾抑制技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，建立了時(shí)間異步全雙工信號(hào)模型，分析了全雙工多載波自干擾數(shù)字域抑制時(shí)有用信號(hào)與自干擾信號(hào)相互作用的關(guān)系，時(shí)間異步場景下無法同時(shí)保證接收端有用信號(hào)與自干擾信號(hào)的子載波正交性，產(chǎn)生符號(hào)間干擾和載波間干擾，影響干擾抵消性能。其次，提出了符號(hào)分段重疊相加的時(shí)間異步自干擾重建方法，用部分卷積信號(hào)幀構(gòu)造線性卷積信號(hào)幀，使重建信號(hào)精確度不受相對(duì)時(shí)延的影響。最后，推導(dǎo)了運(yùn)用所提方法干擾抑制后的殘余干擾功率并與已有方法進(jìn)行了比較。計(jì)算分析和仿真結(jié)果表明，所提方法可以直接在頻域重建自干擾，在異步狀態(tài)下，自干擾抑制性能與同步狀態(tài)相當(dāng)。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第2節(jié)為同時(shí)同頻全雙工信號(hào)模型；第3節(jié)系統(tǒng)闡述時(shí)間異步分段卷積自干擾抑制方法；第4節(jié)推導(dǎo)干擾抑制后殘余干擾功率；第5節(jié)結(jié)合所提方法進(jìn)行理論和仿真分析；本文的結(jié)論在第6節(jié)給出。

2 信號(hào)模型

全雙工設(shè)備在同一時(shí)頻資源上進(jìn)行收發(fā)信號(hào)，受強(qiáng)自干擾的影響，時(shí)域接收信號(hào)中包含有用信號(hào)、自干擾信號(hào)以及加性噪聲，接收信號(hào)可以表示為

(1)有用信號(hào)與自干擾信號(hào)同步

(a)當(dāng)有用信號(hào)超前于自干擾信號(hào)時(shí)，如圖1(a)所示，使接收機(jī)同步有用信號(hào)，同步后接收信號(hào)可以表示為

圖1 有用信號(hào)與自干擾信號(hào)同步狀態(tài)示意圖

在接收窗內(nèi)，有用信號(hào)與自干擾信號(hào)的有效數(shù)據(jù)部分均未受到符號(hào)間干擾，正交性未被破壞，因此，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)后，接收信號(hào)的頻域表達(dá)式可以表示為

3 時(shí)間異步分段卷積自干擾抑制

圖2 有用信號(hào)與自干擾信號(hào)異步狀態(tài)示意圖

圖3 分段重疊相加法示意圖

為了維持自干擾導(dǎo)引的正交性，在自干擾導(dǎo)引前添加額外的保護(hù)間隔，如圖4所示。

圖4 自干擾信號(hào)與有用信號(hào)幀結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)多徑信道為準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道，自干擾

4 殘余干擾功率

5 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提出的數(shù)字域自干擾抑制方法的有效性，從誤碼率和殘余干擾功率兩個(gè)方面對(duì)其仿真，并與文獻(xiàn)[12,13]和文獻(xiàn)[16]所提方法進(jìn)行了比較分析。自干擾多徑信道采用準(zhǔn)靜態(tài)瑞利信道。數(shù)值與仿真分析的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 數(shù)值與仿真分析的參數(shù)設(shè)置

圖5描述了分段重疊相加的時(shí)間異步自干擾抑制算法下殘余干擾功率與干噪比的關(guān)系，理論分析曲線由式(28)給出。從圖5可以看出，理論分析與仿真曲線吻合，隨著干噪比(Interference-to-Noise ratio, INR)的增大，殘余干擾功率降低，且殘余干擾功率與噪聲功率基本一致。這是因?yàn)殡S著噪聲功率的降低，自干擾信道估計(jì)的準(zhǔn)確度提升，而自干擾發(fā)射功率不變，故殘余干擾功率降低。

圖5 干擾功率為30 dBm時(shí)，殘余干擾功率與干噪比的關(guān)系

圖6對(duì)比了現(xiàn)有方法與所提方法在時(shí)間異步場景下的干擾抑制性能，描述了不同算法下殘余干擾功率與相對(duì)時(shí)延的關(guān)系。文獻(xiàn)[12,13]中的方法針對(duì)時(shí)間同步場景，當(dāng)有用信號(hào)與自干擾信號(hào)處于異步狀態(tài)時(shí)，有用信號(hào)與自干擾信號(hào)產(chǎn)生重疊，造成子載波正交性破壞，產(chǎn)生符號(hào)間干擾和載波間干擾，干擾抑制性能嚴(yán)重下降。文獻(xiàn)[16]在自干擾信道估計(jì)時(shí)，通過自干擾導(dǎo)引前額外添加保護(hù)間隔的方式，避免有用信號(hào)與自干擾信號(hào)重疊，從而保證自干擾導(dǎo)引的正交性，使信道估計(jì)準(zhǔn)確；在重建自干擾信號(hào)時(shí)，根據(jù)相對(duì)時(shí)延調(diào)整本地時(shí)域自干擾副本，在頻域與估計(jì)的信道響應(yīng)相乘，然而，信息傳輸部分沒有額外的保護(hù)間隔，影響了自干擾抑制性能。所提方法考慮到了上述方法的缺陷，添加了保護(hù)間隔并在重建自干擾信號(hào)時(shí)采用分段重建并重疊相加的方式，有效避免了相對(duì)時(shí)延對(duì)自干擾抑制的影響。如圖6所示，文獻(xiàn)[12,13]的方法有一個(gè)大的性能損失，文獻(xiàn)[16]方法相對(duì)其有性能提升但仍受相對(duì)時(shí)延的影響，本文所提方法不受相對(duì)時(shí)延的影響。

圖6 干噪比為50 dB時(shí)，殘余干擾功率與相對(duì)時(shí)延的關(guān)系

圖7描述了不同干信比(Interference to Signal Ratio, ISR)下干擾抑制后的誤碼率與INR的關(guān)系。如圖7所示，ISR不會(huì)影響到誤碼率性能，且所提方法干擾抑制后的誤碼率與無干擾時(shí)相一致。當(dāng)SNR固定時(shí)，ISR增大，自干擾信道估計(jì)的準(zhǔn)確度提升，同時(shí)自干擾發(fā)射功率增加，此時(shí)，重建自干擾誤差不變，故殘余干擾功率不變，如式(28)所示，殘余干擾能達(dá)到接近底噪水平，因此，所提方法干擾抑制后的誤碼率與無干擾時(shí)相當(dāng)。

圖7 誤碼率與信噪比的關(guān)系

6 結(jié)束語

本文考慮全雙工多載波信號(hào)，針對(duì)有用信號(hào)與自干擾信號(hào)時(shí)間異步場景下，有用信號(hào)與自干擾信號(hào)多徑最大時(shí)差超出循環(huán)前綴長度，造成頻域自干擾抵消性能下降的問題，提出符號(hào)分段卷積的時(shí)間異步自干擾重建方法，并分析了干擾抑制后的殘余干擾功率和誤碼率性能。計(jì)算分析和仿真結(jié)果表明，在保證有用信號(hào)與自干擾信號(hào)估計(jì)導(dǎo)引正交的情況下，所提方法在有用信號(hào)與自干擾信號(hào)處于時(shí)間異步狀態(tài)時(shí)，能對(duì)自干擾進(jìn)行有效抑制，抑制性能與同步狀態(tài)相當(dāng)，殘余干擾能達(dá)到接近底噪水平。