CN103795501A - 基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法，本发明涉及自干扰消除方法。本发明是要解决现有方法的数据传送速率与频谱利用效率都没有达到最高要求以及现有方法的发送天线发送的信号将对同一节点上的接收天线产生很大的自干扰的问题。假设两个节点发送的信息序列分别为d₁,d₂，经过编码后成为c₁,c₂，然后对每一个节点采用一个相互独立且随机的交织器π₁,π₂将c₁,c₂交织形成x₁,x₂，将x₁,x₂调制之后通过各信道发送端发送出去，信道接收端进行逐码片的迭代译码，得到有用信号。本发明应用于下一代无线通信系统（5G）领域。

Description

基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法

技术领域

本发明涉及自干扰消除方法。

背景技术

随着我国3G的全面普及以及4G时代的即将到来，人们对无线蜂窝通信系统的传输带宽提出了更高的要求。预计在5G时代，宽带数据服务的峰值将达到10Gbps。然而随着数据传输速率的激增，频谱利用率成为了一个至关重要的问题。为此，学者提出了同频同时全双工（Co-frequency Co-time Full Duplex,CCFD）的模型。同频同时全双工技术能够在保证通信系统吞吐量的同时有效提高通信系统的频谱效率。

同频同时全双工技术作为5G技术的关键技术之一，吸引了很多研究者的目光。现在的通信系统，无论是时分双工（Time-Division Duplexing，TDD，见图1）还是频分双工（Frequency-Division Duplexing,FDD，见图2）实际上都是一种半双工系统，无论是数据传送速率还是频谱利用效率都没有达到得到最高要求。如果收发双方能够在相同的时间使用相同的频率带宽进行数据传输，理论上频率效率能提高1倍。同频同时全双工模型如图3所示。

从该模型中我们可以看出，如果在同一个节点上收发天线工作在同一个频点上且同时工作的话，发送天线发送的信号将对同一节点上的接收天线产生很大的自干扰（Self-Interference），而且由于传输距离的原因，这个自干扰信号要比有用信号的功率大很多。对于802.11标准来说，这个自干扰信号的强度能达到70dB。很显然，如果不能对干扰信号进行消除的话，同频同时全双工系统就无法保证有效的通信。

理论上讲，通过现有的技术，全双工系统是可以实现的。对于上述的收发天线同时工作的系统，只要我们知道了发送天线发送的信号，在接收天线处只要减去相应的信号成分，剩下的就应该是有用信号和其他的噪声信号，这样自干扰信号就得到了有效的消除。一个可以实现上述设想的技术就是在模拟域采用噪声消除电路。但是实际上噪声消除电路最多只能够消除30dB的噪声，这跟我们的目标相比还相差很远。另一个方法是A/D转换后在数字域采用诸如ZigZag编码方法来实现干扰消除，但是现有的A/D转换器无法让接受到的信号通过。即使将上述两种方法结合，依然不能达到将自干扰信号减去60dB甚至更多的目标。Stanford大学的Jung II Choi等教授提出了一种天线消除技术（AntennaCancellation），它是将天线消除技术和噪声消除（Noise Cancellation）、数字干扰消除（DigitalInterference Cancellation）技术相结合的技术，成功将自干扰信号降低60dB左右。

发明内容

本发明是要解决现有方法的数据传送速率与频谱利用效率都没有达到最高要求以及现有方法的发送天线发送的信号将对同一节点上的接收天线产生很大的自干扰的问题，而提供了基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法。

基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法按以下步骤实现：

假设两个节点发送的信息序列分别为d₁,d₂，经过编码后成为c₁,c₂，然后对每一个节点采用一个相互独立且随机的交织器π₁,π₂将c₁,c₂交织形成x₁,x₂，将x₁,x₂调制之后通过各信道发送端发送出去，信道接收端进行逐码片的迭代译码，得到有用信号；

其中，所述各信道的衰减系数为h₁,h₂，假设各信道情况为Rayleigh衰减信道，所述迭代译码部分分为基本信号检测器ESE和后验概率译码器DEC。

发明效果：

本发明从编码的角度出发，针对同频同时全双工系统中存在的自干扰问题，提出了一种基于交织（Interleaving）和迭代译码（Iterative Decoding）的算法，该方法能够实现干扰信号的分离与消除，完成有效可靠的通信。

两个节点发送的信息序列分别为d₁,d₂，经过编码后成为c₁,c₂,然后对每一个节点采用一个相互独立随机的交织器，分别为π₁,π₂，形成x₁,x₂，调制之后发送出去。在接收端采用类似于turbo码译码的迭代译码，将有用信号分离出来，达到抑制自干扰的目的。

本发明的核心在于对每个节点后面部署完全不同和随机的交织器用来区分各自的信号。这种方法不仅能够有效区分各个节点的信号，同时还能够使用一种简单的逐码片的迭代译码方法，而且这种方法的复杂度正比于节点数。

本方法同样适用于存在多个节点以及中继节点的情况。

附图说明

图1是背景技术中的TDD模型图；

图2是背景技术中的FDD模型图；

图3是背景技术中的CCFD模型图；

图4是具体实施方式一中的CCFD自干扰消除原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法按以下步骤实现：

假设两个节点发送的信息序列分别为d₁,d₂，经过编码后成为c₁,c₂，然后对每一个节点采用一个相互独立且随机的交织器π₁,π₂将c₁,c₂交织形成x₁,x₂，将x₁,x₂调制之后通过各信道发送端发送出去，信道接收端进行逐码片的迭代译码，得到有用信号；

其中，所述各信道的衰减系数为h₁,h₂，假设各信道情况为Rayleigh衰减信道，所述迭代译码部分分为基本信号检测器ESE和后验概率译码器DEC。

本实施方式效果：

本实施方式从编码的角度出发，针对同频同时全双工系统中存在的自干扰问题，提出了一种基于交织（Interleaving）和迭代译码（Iterative Decoding）的算法，该方法能够实现干扰信号的分离与消除，完成有效可靠的通信。

两个节点发送的信息序列分别为d₁,d₂，经过编码后成为c₁,c₂,然后对每一个节点采用一个相互独立随机的交织器，分别为π₁,π₂，形成x₁,x₂，调制之后发送出去。在接收端采用类似于turbo码译码的迭代译码，将有用信号分离出来，达到抑制自干扰的目的。

本实施方式的核心在于对每个节点后面部署完全不同和随机的交织器用来区分各自的信号。这种方法不仅能够有效区分各个节点的信号，同时还能够使用一种简单的逐码片的迭代译码方法，而且这种方法的复杂度正比于节点数。

本方法同样适用于存在多个节点以及中继节点的情况。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述基本信号检测器ESE和后验概率译码器DEC的输出是关于x_k(j)和c_k(j)(k=1,2)的非本征对数似然比值LLR，其定义如下：

$e_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=+1)}{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=-1)}\right),\∀j,k---\left(1\right)$

$e_{\mathrm{DEC}}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=+1)}{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=-1)}\right),\∀j,k---\left(2\right)$

对于基本信号检测器ESE模块，y代表接收机的接收信号；对于后验概率译码器DEC模块，y代表从ESE模块的输出信息的解交织形式；

定义x_k(j),

k的先验对数似然比LLR为：

$\tilde{l}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}(x_k=+1)}{\mathrm{Pr}(x_k=-1)}\right),\∀j,k---\left(3\right)$

用下标来区别基本信号检测器ESE和后验概率译码器DEC模块的先验LLR，分别表示为

和

分别作为输入信息送入到基本信号检测器ESE模块和后验概率译码器DEC模块中；基本信号检测器ESE模块的输入是接收信号r(j)和先验

基本信号检测器ESE模块的输出是外信息e_ESE(x_k(j))；后验概率译码器DEC模块的输入是先验

假设已知信道信息

则

的后验概率的LLR为

$\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}(x_k\left(j\right)=+1|r\left(j\right),h)}{\mathrm{Pr}(x_k\left(j\right)=-1|r\left(j\right),h)}\right)\\ =\log \left(\frac{\mathrm{Pr}\left(r\left(j\right)\right|x_k\left(j\right)=+1,h)}{\mathrm{Pr}\left(r\left(j\right)\right|x_k\left(j\right)=-1,h)}\right)+{\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中，第二项

为x_k(j)的先验概率信息，第一项e_ESE(x_k(j))则是x_k(j)的外信息，后验概率LLR信息包含两部分，一是x_k(j)的先验概率信息，二是除了x_k(j)之外的其他节点码片信息，即外信息，它是由信道观测信息（h）和其他节点的码片不含x_k(j)的先验信息决定；

假设

是第k个节点的DEC模块的输入信息，则基于编码C的约束得到的后验概率的LLR为：

其中，

可通过在

中设定

得到，第k个节点的DEC模块的输出是表达式（5）中的外

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述信道接收端进行逐码片的迭代译码具体为：

步骤一：首先计算x_k(j)的均值和方差

$E\left(x_k\left(j\right)\right)=\frac{\exp \left({\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)\right)-1}{\exp \left({\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)\right)+1}=\tanh ({\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)/2)---\left(6\right)$

Var(x_k(j))=1-(E(x_k(j)))²    (7)

步骤二：对于节点1，接收到的信号为：

r(j)=h₁x₁(j)+h₂x₂(j)+n(j)=h₂x₂(j)+ξ(j)    (8)

x₂(j)为需要接受的有用信息，x₁(j)为自干扰信号，n(j)为方差为σ²高斯白噪声，ξ(j)为总的干扰信号，假设

是独立同分布的随机变量，由中心极限定理可知ξ(j)可以近似认为是一个高斯型随机变量，其均值和方差分别为：

$E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)=\underset{k^{\′}\≠k}{\mathrm{\Σ}}{h}_{k^{\′}}E\left(x_{k^{\′}}\left(j\right)\right)---\left(8\right)$

$\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)=\underset{k^{\′}\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_{k^{\′}}\right|}^2\mathrm{Var}\left(x_{k^{\′}}\left(j\right)\right)+{\mathrm{\σ}}^2---\left(9\right)$

步骤三：将高斯近似的方法应用到式(8)，则r(j)也是高斯型随机变量，则有

$p\left(r\left(j\right)\right|x_k\left(j\right)=\±1)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\πVar}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}}\exp (-\frac{(r\left(j\right)-{(E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)\±h_k)}^2)}{2\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)})---\left(10\right)$

那么式(1)中的外信息e_ESE(x_k(j))可表示为：

$\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{ESE}}=\log \frac{\exp (-\frac{{(r\left(j\right)-E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)-h_k)}^2}{2\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)})}{\sqrt{2\mathrm{\πVar}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}}-\frac{\exp (-\frac{{(r\left(j\right)-E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)+h_k)}^2}{2\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)})}{\sqrt{2\mathrm{\πVar}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}}\\ =2h_k\frac{r\left(j\right)-E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}{\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}=2h_k\frac{r\left(j\right)-E\left(r\left(j\right)\right)+h_{k}E\left(x_k\left(j\right)\right)}{\mathrm{Var}\left(r\left(j\right)\right)-{\left|h_k\right|}^2\mathrm{Var}\left(x_k\left(j\right)\right)}\end{array}---\left(11\right)$

步骤四：由式(8)可得：

E(r(j))=∑h_kx_k(j)

(12)

Var(r(j))=∑|h_k|²Var(x_k(j))+σ²    (13)

步骤五：将式(12)(13)带入式(11)即可得到外信息e_ESE(x_k(j))；

步骤六：将

送入各自的解交织器得到

步骤七：将

送入标准的后验概率译码器DEC，此译码器跟编码器C相对应；

步骤八：DEC译码得到

送入相对应的交织器得到

步骤九：将

作为输入的先验信息，即

送入ESE模块，重复步骤一，进行一定次数的迭代译码过程；

步骤十：迭代译码完成后，对DEC模块输出的

进行判决，得到硬判决信息值

译码过程结束。

采用BPSK调制方式，信道是准静态无记忆单径信道。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

Claims (3)

1.基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法，其特征在于基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法按以下步骤实现：

假设两个节点发送的信息序列分别为d₁,d₂，经过编码后成为c₁,c₂，然后对每一个节点采用一个相互独立且随机的交织器π₁,π₂将c₁,c₂交织形成x₁,x₂，将x₁,x₂调制之后通过各信道发送端发送出去，信道接收端进行逐码片的迭代译码，得到有用信号；

其中，所述各信道的衰减系数为h₁,h₂，假设各信道情况为Rayleigh衰减信道，所述迭代译码部分分为基本信号检测器ESE和后验概率译码器DEC。

2.根据权利要求1所述的基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法，其特征在于所述基本信号检测器ESE和后验概率译码器DEC的输出是关于x_k(j)和c_k(j)(k=1,2)的非本征对数似然比值LLR，其定义如下：

$e_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=+1)}{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=-1)}\right),\∀j,k---\left(1\right)$

$e_{\mathrm{DEC}}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=+1)}{\mathrm{Pr}\left(y\right|x_k\left(j\right)=-1)}\right),\∀j,k---\left(2\right)$

对于基本信号检测器ESE模块，y代表接收机的接收信号；对于后验概率译码器DEC模块，y代表从ESE模块的输出信息的解交织形式；

定义x_k(j),

k的先验对数似然比LLR为：

$\tilde{l}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}(x_k=+1)}{\mathrm{Pr}(x_k=-1)}\right),\∀j,k---\left(3\right)$

用下标来区别基本信号检测器ESE和后验概率译码器DEC模块的先验LLR，分别表示为和

分别作为输入信息送入到基本信号检测器ESE模块和后验概率译码器DEC模块中；基本信号检测器ESE模块的输入是接收信号r(j)和先验基本信号检测器ESE模块的输出是外信息e_ESE(x_k(j))；后验概率译码器DEC模块的输入是先验

假设已知信道信息则的后验概率的LLR为

$\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)=\log \left(\frac{\mathrm{Pr}(x_k\left(j\right)=+1|r\left(j\right),h)}{\mathrm{Pr}(x_k\left(j\right)=-1|r\left(j\right),h)}\right)\\ =\log \left(\frac{\mathrm{Pr}\left(r\left(j\right)\right|x_k\left(j\right)=+1,h)}{\mathrm{Pr}\left(r\left(j\right)\right|x_k\left(j\right)=-1,h)}\right)+{\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中，第二项

为x_k(j)的先验概率信息，第一项e_ESE(x_k(j))则是x_k(j)的外信息，后验概率LLR信息包含两部分，一是x_k(j)的先验概率信息，二是除了x_k(j)之外的其他节点码片信息，即外信息，它是由信道观测信息（h）和其他节点的码片不含x_k(j)的先验信息决定；

假设

是第k个节点的DEC模块的输入信息，则基于编码C的约束得到

的后验概率的LLR为：

其中，

可通过在中设定

得到，第k个节点的DEC模块的输出是表达式（5）中的外

3.根据权利要求2所述的基于交织和迭代译码的同频同时全双工系统的自干扰消除方法，其特征在于所述信道接收端进行逐码片的迭代译码具体为：

步骤一：首先计算x_k(j)的均值和方差

$E\left(x_k\left(j\right)\right)=\frac{\exp \left({\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)\right)-1}{\exp \left({\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)\right)+1}=\tanh ({\tilde{l}}_{\mathrm{ESE}}\left(x_k\left(j\right)\right)/2)---\left(6\right)$

Var(x_k(j))=1-(E(x_k(j)))²    (7)

步骤二：对于节点1，接收到的信号为：

r(j)=h₁x₁(j)+h₂x₂(j)+n(j)=h₂x₂(j)+ξ(j)    (8)

x₂(j)为需要接受的有用信息，x₁(j)为自干扰信号，n(j)为方差为σ²高斯白噪声，ξ(j)为总的干扰信号，假设

是独立同分布的随机变量，由中心极限定理可知ξ(j)可以近似认为是一个高斯型随机变量，其均值和方差分别为：

$E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)=\underset{k^{\′}\≠k}{\mathrm{\Σ}}{h}_{k^{\′}}E\left(x_{k^{\′}}\left(j\right)\right)---\left(8\right)$

$\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)=\underset{k^{\′}\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_{k^{\′}}\right|}^2\mathrm{Var}\left(x_{k^{\′}}\left(j\right)\right)+{\mathrm{\σ}}^2---\left(9\right)$

步骤三：将高斯近似的方法应用到式(8)，则r(j)也是高斯型随机变量，则有

$p\left(r\left(j\right)\right|x_k\left(j\right)=\±1)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\πVar}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}}\exp (-\frac{(r\left(j\right)-{(E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)\±h_k)}^2)}{2\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)})---\left(10\right)$

那么式(1)中的外信息e_ESE(x_k(j))可表示为：

$\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{ESE}}=\log \frac{\exp (-\frac{{(r\left(j\right)-E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)-h_k)}^2}{2\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)})}{\sqrt{2\mathrm{\πVar}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}}-\frac{\exp (-\frac{{(r\left(j\right)-E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)+h_k)}^2}{2\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)})}{\sqrt{2\mathrm{\πVar}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}}\\ =2h_k\frac{r\left(j\right)-E\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}{\mathrm{Var}\left({\mathrm{\ξ}}_k\left(j\right)\right)}=2h_k\frac{r\left(j\right)-E\left(r\left(j\right)\right)+h_{k}E\left(x_k\left(j\right)\right)}{\mathrm{Var}\left(r\left(j\right)\right)-{\left|h_k\right|}^2\mathrm{Var}\left(x_k\left(j\right)\right)}\end{array}---\left(11\right)$

步骤四：由式(8)可得：

E(r(j))=∑h_kx_k(j)    (12)

Var(r(j))=∑|h_k|²Var(x_k(j))+σ²    (13)

步骤五：将式(12)(13)带入式(11)即可得到外信息e_ESE(x_k(j))；

步骤六：将送入各自的解交织器得到

步骤七：将

送入标准的后验概率译码器DEC，此译码器跟编码器C相对应；

步骤八：DEC译码得到

送入相对应的交织器得到

步骤九：将

作为输入的先验信息，即送入ESE模块，重复步骤一，进行一定次数的迭代译码过程；

步骤十：迭代译码完成后，对DEC模块输出的

进行判决，得到硬判决信息值

译码过程结束。

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