周芮

【摘要】 在5G通信研發(fā)中，同時同頻全雙工作為提高頻譜效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要克服的重要問題就在于自干擾的消除。本文研究了關(guān)注甚少的數(shù)字消除方式，全面分析了信道估計聯(lián)合自適應(yīng)濾波的消除方案。

【關(guān)鍵詞】 無線通信 同時同頻全雙工 數(shù)字消除

一、引言

近年來，4G通信技術(shù)已日趨成熟，然而隨著用戶速率和業(yè)務(wù)量需求的飛速增長，無線通信系統(tǒng)所需的帶寬不斷增大，對頻譜資源的需求也在迅速增加，為滿足日益增長的通信需求，5G的研發(fā)已提上日程。盡管5G定位于頻譜效率更高、速率更快、容量更大的無線網(wǎng)絡(luò)，但亟待解決的問題也很多，在無線傳輸技術(shù)方面，同時同頻全雙工就是解決頻譜效率問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

傳統(tǒng)的時分雙工和頻分雙工這兩種雙工技術(shù)作為無線通信系統(tǒng)中的主流技術(shù)，已在無線通信領(lǐng)域廣泛使用。但是，時分雙工與頻分雙工技術(shù)中存在的問題，使這兩種技術(shù)性能受到限制。例如，使用時分雙工會使節(jié)點間的信道不一致特性惡化，同時由于通信雙方分時的收發(fā)數(shù)據(jù)，時間利用率不高，影響通信效率。而另一方面在頻分雙工通信系統(tǒng)中，當節(jié)點試圖相互發(fā)送與接收信號時，需要在某一頻段發(fā)射信號，在另一頻段接收信號，導(dǎo)致進行雙工通信需要兩倍的單向通信鏈路帶寬，在無線頻譜資源日益緊張的今天，帶寬資源占用太大，并且會限制系統(tǒng)中可以通信的節(jié)點數(shù)量。在傳統(tǒng)技術(shù)的這些缺陷下，國外研究者提出嘗試讓雙工通信節(jié)點雙方在同一頻帶上同時發(fā)送與接收信號，即全雙工（Full Duple，F(xiàn)D）技術(shù)，而在國內(nèi)，通常稱之為同時同頻全雙工（Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD）技術(shù)。

雖然同時同頻全雙工比起傳統(tǒng)雙工方式節(jié)省了一半的時間開銷與頻率開銷，使頻譜效率加倍，但是該技術(shù)有一個顯著問題要解決，就是本地自干擾的抑制。對相互通信雙方的任一節(jié)點而言，對方發(fā)射天線發(fā)來的信號為自身需要的期望信號，而自身發(fā)射天線的發(fā)射信號對自身接收端就造成干擾，稱之為自干擾。由于自身節(jié)點收發(fā)天線之間的距離遠小于相互通信的節(jié)點之間距離，這個自干擾信號就遠大于期望信號，顯然，消除自干擾就是最關(guān)鍵任務(wù)?，F(xiàn)行的自干擾消除研究中，根據(jù)干擾消除方式和位置的不同，可分為天線、射頻、數(shù)字三種方式。

天線消除的原理是將收發(fā)天線在空中接口處分離，從而降低發(fā)射機信號對接收機信號的干擾，主要有以下三種方式：

1）拉遠發(fā)射天線和接收天線之間的距離，采用分布式天線，增加電磁波傳播的路徑損耗，以降低雙工干擾（DI）在接收端的功率；

2）直接屏蔽DI：在發(fā)射天線和接收天線之間設(shè)置一微波屏蔽板；

3）配備多發(fā)射天線，調(diào)整多個發(fā)射天線到接收天線的距離，使發(fā)射信號在接收天線處相位相反實現(xiàn)抵消。

而射頻方式主要是在模擬域通過射頻電路以相位反轉(zhuǎn)的形式實現(xiàn)干擾抵消，該方式研究較廣泛且成效可觀。天線、射頻方式研究較早且關(guān)注較多，并且自干擾消除效果顯著，而數(shù)字方式較前兩者而言關(guān)注甚少，目前大概也只能實現(xiàn)10dB至15dB的自干擾功率衰減，但作為對整體干擾消除效果的完善，數(shù)字方式不可或缺，因此還有待更多的研究。

本文分析的數(shù)字自干擾消除方式為基于信道估計的自適應(yīng)濾波方案，第二節(jié)闡述該方案的原理及整體框架，第三節(jié)分析信道估計的原理方法，第四節(jié)介紹時域自適應(yīng)濾波算法，第五節(jié)探討該數(shù)字消除方案需要注意的問題，最后，作出總結(jié)展望。

二、數(shù)字自干擾消除方案

由于在天線、射頻消除后，接收信號中往往還存在殘余自干擾，需要通過數(shù)字域消除方式進一步完善消除性能。與射頻消除思想類似，數(shù)字方式也是干擾抵消原理，通過重建干擾信號副本，然后在總的接收信號中減去以消除自干擾，不同的是，數(shù)字方式是將信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號后再作消除。然而，在同時同頻全雙工無線通信系統(tǒng)中實施的數(shù)字干擾消除比在其他應(yīng)用中使用的數(shù)字消除（如連續(xù)干擾消除（簡稱SIC）與解碼等）比起來，更具挑戰(zhàn)性，因為全雙工設(shè)備中若丟失了20%的數(shù)據(jù)包，就意味著系統(tǒng)僅僅是可用而已。因此，為了在后續(xù)提取期望信號的工作中能提高精確度，完善數(shù)字自干擾消除性能就很有必要，這就要求自干擾信號能被準確消除，那么獲取自干擾信號特性以及實時捕獲它的變化就顯得尤為重要，這里分析的信道估計聯(lián)合自適應(yīng)濾波消除方案則是一種有效方式。圖1所示為該數(shù)字自干擾消除方案的基本框架。

由于本地自干擾信號在到達自身接收端時會受無線信道影響，振幅、相位等信號特性會發(fā)生變化，要使濾波器產(chǎn)生精確的自干擾估計信號，首先得通過信道估計獲取自干擾信道沖激響應(yīng)，并作為濾波器的初始加權(quán)系數(shù)，再結(jié)合自適應(yīng)算法進行調(diào)整，以使濾波器能實時跟蹤自干擾信號的變化，從而輸出更接近于干擾信號的抵消信號。

三、自干擾信道估計

由于自干擾信號受無線信道影響，如果能估計出自干擾信道沖激響應(yīng)，就能獲取自干擾在接收端的信號特性，這樣就有利于后續(xù)自適應(yīng)濾波器輸出更精確的干擾估計信號，因此，信道估計是一個重要環(huán)節(jié)。信道估計的算法很多，根據(jù)是在時域還是頻域?qū)崿F(xiàn)信道估計，可分為時域信道估計和頻域信道估計；依據(jù)是否使用輔助數(shù)據(jù)，將信道估計分為基于導(dǎo)頻或訓(xùn)練符號的輔助信息信道估計和盲信道估計?；谳o助信息的信道估計方法是在發(fā)送信號的某些位置置入一些己知的導(dǎo)頻符號或?qū)ち行蛄?，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號或訓(xùn)練序列按照某種方法進行信道估計，這里所討論的系統(tǒng)是單載波系統(tǒng)類型，因此使用輔助信息的信道估計，訓(xùn)練序列只能在時間軸插入。需要注意的是，插入的訓(xùn)練序列在時間軸上的間隔相對于信道帶寬要足夠的小?；谳o助信息的信道估計性能較好，但會造成寬帶和功率的損失，降低系統(tǒng)傳輸?shù)挠行裕容^適用于突發(fā)式的通信傳輸系統(tǒng)，例如WLAN等。這里是使用基于訓(xùn)練序列的信道估計方法對自干擾信道進行估計。

由于無線通信信道最明顯的特征是多徑衰落效應(yīng)和時間變化特性，也就是說存在一條以上的信號傳播路徑，且信道特性隨時間變化較快，具有明顯的隨參信道特性。由于在點對點同時同頻全雙工系統(tǒng)中，自身節(jié)點的收發(fā)天線之間距離很近，因此可以假定自干擾信道為線性衰落信道，現(xiàn)在以最小平方信道估計法為例分析信道估計方法。

最小平方（Least Square，LS）信道估計法便于實現(xiàn)且有較好的性能，它是以選擇估計值與實際值之間的均方誤差最小作為性能衡量的標準。設(shè)Y是自身節(jié)點接收端的經(jīng)過離散傅里葉變換后得到的信號列向量，X是自身節(jié)點發(fā)射端發(fā)送的訓(xùn)練序列，H是信道頻域響應(yīng)，W是均值為零，方差為σ2的高斯白噪聲，則有如下關(guān)系：

有了上述信道頻域響應(yīng)后，經(jīng)過DFT后即得時域沖激響應(yīng)，以方便隨后的時域自適應(yīng)算法在自適應(yīng)濾波中有效進行。

四、自適應(yīng)濾波

得到信道估計結(jié)果后，作為自適應(yīng)濾波器初始加權(quán)系數(shù)，然后通過自適應(yīng)算法進行系數(shù)向量調(diào)整，使輸出最大程度接近自干擾信號，因此自適應(yīng)干擾消除是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自適應(yīng)干擾消除技術(shù)的核心是自適應(yīng)濾波器和相應(yīng)地自適應(yīng)算法，自適應(yīng)濾波器能夠按照某種準則自動地調(diào)節(jié)本身的傳遞函數(shù)進行自我修正，使得輸出信號達到系統(tǒng)所需要的最佳結(jié)果。對于自適應(yīng)濾波器，它可以用許多不同結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，從根本上講，主要有兩類自適應(yīng)數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，即有限長沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無限長沖激響應(yīng)（IIR）濾波器。由于FIR濾波器為橫向結(jié)構(gòu)，利用正規(guī)直接形式實現(xiàn)全零點傳輸函數(shù)，這種結(jié)構(gòu)下，輸出信號是濾波器抽頭系數(shù)的線性組合，產(chǎn)生具有唯一最優(yōu)解的二次均方誤差函數(shù)，更適合于自適應(yīng)算法通過誤差反饋調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)的原理，因此在自適應(yīng)干擾抵消情景中，廣泛采用FIR濾波器。

另外一個關(guān)鍵是自適應(yīng)算法，這會直接影響自適應(yīng)干擾消除系統(tǒng)的整體效果，選擇自適應(yīng)算法時需要考慮：算法收斂速度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和算法的復(fù)雜性，并且要求自適應(yīng)算法易于實現(xiàn)，以降低系統(tǒng)成本。現(xiàn)行的時域自適應(yīng)算法中，最具有代表性的自適應(yīng)算法有最小均方（Least Mean Square，簡稱LMS）、歸一化最小均方（Normalized LMS，簡稱NLMS）和遞歸最小二乘（Recursive Least Squares，簡稱RLS）算法，它們各有其優(yōu)缺點，最小均方算法因其計算復(fù)雜度小，易于硬件實現(xiàn)，因而應(yīng)用較廣泛，但是往往存在收斂速度慢的問題。

遞歸最小二乘法收斂速度快，實時性高，但由于計算復(fù)雜度大因而在工程上很少使用。建立在LMS基礎(chǔ)上的歸一化最小均方算法則對LMS算法作了優(yōu)化，以變步長因子形式提高算法收斂性，計算復(fù)雜度又較RLS算法小得多，工程應(yīng)用上較受歡迎。這里可將NLMS算法應(yīng)用于此處的自適應(yīng)干擾消除中。

設(shè)數(shù)字基帶信號u（n）經(jīng)濾波器延遲單元延遲后所構(gòu)成的輸入信號列向量為u（n），濾波器加權(quán)系數(shù)向量為w（n），干擾信號與濾波器輸出信號相減所得誤差為e（n），則由NLMS算法迭代方程有

五、對整體消除的影響及需要注意的問題

在同時同頻全雙工系統(tǒng)進行數(shù)字自干擾消除時，由于本地自干擾信號是已知的，因此相比傳統(tǒng)的數(shù)字消除省去了先解出不期望的發(fā)射信號信息的過程。在整體的自干擾消除中采用相干檢測而非解碼來檢測干擾信號，相干檢測器將輸入的射頻接收信號與從發(fā)射端獲取的干擾參考信號進行相關(guān)。由于檢測器能夠獲取完整的自干擾信號，可以用其對接收信號進行相干檢測，根據(jù)得到的相關(guān)序列峰值，就能夠準確得到接收信號中自干擾分量相對于干擾參考信號的時延和相位差，利用這些信息就可以更準確的重建自干擾估計信號，同時這種相干檢測能夠檢測出強度比期望信號還微弱的自干擾信號。

在這種情況下雖然無需數(shù)字干擾消除也能較準確地解碼期望信號，但采用數(shù)字干擾消除方式可以將射頻方式中未完全抵消的自干擾信號進一步消除，即使實現(xiàn)10dB的自干擾功率衰減，對提升期望信號的信干噪比（SINR）值也有極大幫助，從而提高整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

另外，數(shù)字自干擾消除有一個必要前提，那就是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端未阻塞的情況下，為使其能夠正確解碼期望信號，信號電平強度至少需要達到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化間隔。因此要實現(xiàn)數(shù)字自干擾消除，期望信號和自干擾信號的電平不能相差太大，即不能超過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍（動態(tài)范圍是指信號的最強功率值與最弱功率值之間的最大比值），否則即使以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大動態(tài)范圍適配射頻消除后的總的接收信號，由于期望信號的電平?jīng)]有達到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化間隔也無法正確解碼，這樣就會導(dǎo)致誤碼率增大，信息丟失嚴重。以目前常見的8～12比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，對應(yīng)能夠識別的輸入信號功率動態(tài)范圍為0～48dB/0～72dB，即要求期望信號與自干擾信號的功率之差不能超過0～48dB/0～72dB。

由于在接收端經(jīng)常出現(xiàn)接收多個信號的現(xiàn)象，且接收端易受干擾侵害，因此接收端的接收信號在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，一定要先分析信號是否會超出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍，以免發(fā)生不可挽回的錯誤。動態(tài)范圍越高，模數(shù)轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的性能越好，以目前的技術(shù)而言，高達12比特（動態(tài)范圍74dB）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在技術(shù)上可行但花費較高，一般而言，8比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以提供50dB的動態(tài)范圍，若前兩種消除方式能將自干擾削弱到與期望信號的功率比值在50dB以內(nèi)，則8比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可滿足數(shù)字自干擾消除的量化要求。

六、結(jié)束語

本文針對同時同頻全雙工數(shù)字自干擾消除方式進行了探討研究，分析了基于信道估計的自適應(yīng)濾波消除方案。然而要更好地完善消除性能，在信道估計及自適應(yīng)濾波算法的優(yōu)化上還有待更多研究。

目前關(guān)于同時同頻全雙工無線系統(tǒng)的研究尚未全面展開，國外幾所大學(xué)的研究團隊起步較早，而國內(nèi)也開始跟進。然而對該技術(shù)展開研究是非常有意義的，國外現(xiàn)有的研究，證實該技術(shù)的確能夠解決目前無線通信系統(tǒng)中存在的某些頑固性的問題，這無疑開辟了無線通信領(lǐng)域的一個完全新穎的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，同時，自干擾消除技術(shù)的提升也將會使同時同頻全雙工技術(shù)在5G研發(fā)中有更好的應(yīng)用前景。

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