CN104125180B - 全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法，属于无线通信技术领域。本方法在每个通信节点配备用来发送和接收极化信号的正交双极化天线，本地节点进行极化数字信号处理。本方法包括：接收端进行时频域的射频自干扰消除；经射频自干扰消除后的极化信号经下变频到达基带，根据先验的自干扰极化状态和期望信号极化状态构建斜投影极化滤波算子，进行极化滤波；遵循输出信干噪比最大的原则，进行期望信号的匹配接收。本发明克服了传统方案中自干扰和期望信号相互重叠难以区分的问题，在基带使用信号的极化维度信息进行自干扰消除，避免了对时频信息的重复使用，提高了自干扰消除增益，达到自干扰消除的目的。

Description

全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体地说，是指一种全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法。

背景技术

随着无线通信技术及业务的发展，无线网络正面临着有限频谱资源与大量业务对频谱资源需求的矛盾。为此，业界提出了同时同频全双工技术(下文简称全双工)，该技术通过自干扰消除技术实现了通信双方利用相同的频谱资源同时进行通信的功能需求，提高了频谱利用率，并有解决传统无线通信遗留问题、增加通信保密性的潜在优势，从而获得业界广泛关注。

全双工通信节点的接收信号由三部分组成：自干扰、期望信号和噪声，如图1所示。以N1为本地节点，N2为远端节点为例，说明自干扰和期望信号的概念：由本地发送天线发送且被本地接收天线接收到的信号部分称为自干扰；由远端发送天线发送且被本地接收天线接收到的信号部分称为期望信号。自干扰通常比期望信号强60dB左右，因此，自干扰消除是实现全双工的首要任务。

现有的自干扰消除大部分利用时频维度进行自干扰消除，主要做法是根据已知的本地发送信号，分别在射频和基带重构反相的自干扰信号，使之与接收信号合并，以达到自干扰消除的目的。这种做法的缺点是射频和基带的两次自干扰重构都依赖于有限的时频信息，射频自干扰消除会限制基带自干扰消除性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：通过对信号极化域特征的利用，增加了时频交叠的不同信号间的区分度，并通过极化数字信号处理的方法达到自干扰消除的目的。

为了解决上述问题，本发明提供了一种全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法，在每个通信节点配备用来发送和接收极化信号的正交双极化天线，以赋予发送信号既定的极化状态。

本发明的全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法，实现步骤如下：

步骤1：在接收端进行极化信号的水平支路和垂直支路联合的时频域射频自干扰消除，并保证不改变自干扰的极化状态；

步骤2：经射频自干扰消除后的极化信号经下变频到达基带后，根据先验的自干扰极化状态和期望信号极化状态构建斜投影极化滤波算子，进行极化滤波；

步骤3：遵循输出信干噪比最大的原则，进行期望信号的匹配接收。

所述的步骤2中，设S表示期望信号极化状态，I表示自干扰极化状态，自干扰极化状态张成的子空间为Span{I}，期望信号极化状态张成的子空间为Span{S}，则沿着Span{I}向Span{S}投影的斜投影极化滤波算子其中，为自干扰极化状态张成的子空间Span{I}的正交投影算子。

设到达基带后的极化信号为Y(k)，则用斜投影极化滤波算子对该极化信号进行极化滤波后的输出信号为Q_SIY(k)＝E_s(k)+Q_SIN(k)，其中，E_s(k)表示期望信号的极化信号序列，N(k)表示二维独立的复高斯白噪声，k表示采样时刻。

所述的步骤3进行期望信号的匹配接收，得到的输出信号y(k)＝S^H[Q_SIY(k)]＝x_s(k)+n_o(k)，其中，n_o(k)表示输出的噪声，n_o(k)＝S^HQ_SIN(k)。

本发明的优点与积极效果在于：(1)本发明利用信号的极化维度特征对自干扰和期望信号进行区分，克服了只利用时频信息的传统方案中自干扰和期望信号相互重叠难以区分的问题；(2)本发明在基带使用信号的极化维度信息进行自干扰消除，避免了对时频信息的重复使用，提高了自干扰消除增益；(3)应用本发明方法，接收机不需要额外的链路进行信号处理，达到有效自干扰消除目的的同时也不需要增加额外硬件设备，适用性和通用性好。

附图说明

图1是基于极化域的全双工系统示意图；

图2是本发明的自干扰消除方法的流程图；

图3是本发明联合射频自干扰消除的原理示意图；

图4是本发明的自干扰消除方法的使用效果示意图；

图5是本发明和传统时频域自干扰消除的性能对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明利用极化维度与时频维度结合的方法，射频的自干扰消除方法不变，在基带实现极化维度的自干扰消除，提升了自干扰消除的增益。需要说明的是，本发明技术需要本地发送机和远端发送机进行矢量信号处理，赋予发送信号既定的极化状态。本发明技术还需要给每个通信节点配备两副正交双极化天线，一副用来发送极化信号，一副用来接收极化信号。

如图2所示，本发明提供了一种全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法，具体包括三个步骤：

步骤1：首先接收端根据自干扰的极化状态在时频域进行射频自干扰消除，达到期望信号能够被接收机有效接收的目的，并同时保证射频端的处理不改变自干扰的极化状态。

射频自干扰消除使用现有的方法，比如根据本地发送信号的时频信息和信道信息重构反相自干扰，然后与接收信号合并，达到初步自干扰消除的目的。需要说明的是，本发明使用了正交双极化天线，接收链路包含水平支路和垂直支路两个支路，对两个支路的消除应该是联合的，以保证自干扰的极化状态不被改变，否则在基带自干扰消除时需先进行极化估计。

现有技术中多对一路信号进行时频域的射频自干扰消除，例如，采用型号为QHx220的电路进行时频域的射频自干扰消除。本发明方法在对两个支路进行联合射频自干扰消除时，如图3所示，可对水平支路和垂直支路各使用一片QHx220电路，并设置两片QHx220电路具有共同的时钟和控制信号，控制信号由两路射频自干扰消除的自干扰剩余量之和反馈得到。图3中，虚框中部分为QHx220的电路结构简图，LNA是低噪声放大器，VGA是视频图形阵列接口，SPI是串行外设接口。

步骤2：经射频自干扰消除处理的极化信号经下变频到达基带后，根据先验的自干扰极化状态和期望信号极化状态构建斜投影极化滤波算子，对到达基带的极化信号进行极化滤波。

记自干扰极化状态和期望信号的极化状态分别为I和S，I≠S：

I＝[cos(ε_i) sin(ε_i)exp(jδ_i)]^Τ

S＝[cos(ε_s) sin(ε_s)exp(jδ_s)]^Τ

其中ε_i/s(ε_i/s∈[0,π/2])和δ_i/s(δ_i/s∈[0,2π])分别表示幅度描述子和相位描述子。下角标i表示自干扰极化状态，s表示期望信号极化状态。j为虚数单位。

记自干扰极化状态张成的子空间为Span{I}，期望信号极化状态张成的子空间为Span{S}，则沿着Span{I}向Span{S}投影的斜投影极化滤波算子Q_SI为：

其中为Span{I}子空间的正交投影算子。

经射频自干扰消除处理、经下变频到达基带后的极化信号输入自干扰的极化滤波模块中，自干扰的极化滤波模块对输入的极化信号利用所构建的斜投影极化滤波算子进行极化滤波。

记自干扰的极化滤波模块输入信号为Y(k)：

Y(k)＝E_s(k)+E_i(k)+N(k)＝Sx_s(k)+Ix_i(k)+N(k)

其中，x_s(k)是该模块输入的期望信号时域序列，x_i(k)是该模块输入的自干扰时域序列，N(k)是二维独立的复高斯白噪声。E_s(k)和E_i(k)分别表示期望信号和自干扰的极化信号序列，k表示采样时刻。

则自干扰的极化滤波模块输出信号为

Q_SIY(k)＝E_s(k)+Q_SIN(k)

步骤3：最后根据极化匹配原理，进行期望信号的匹配接收，得到输出信号。

为与现有的时频域信号处理技术兼容，在进行完极化矢量信号处理后，需要将矢量信号转换为标量信号形式，在转换的过程中，遵循输出信干噪比最大的原则，在该原则下，得到期望信号的匹配接收矢量为S，转换后得到输出信号y(k)为：

y(k)＝S^H[Q_SIY(k)]＝x_s(k)+n_o(k)

n_o(k)表示输出的噪声，n_o(k)＝S^HQ_SIN(k)。

本发明采用信干噪比增益作为自干扰消除性能衡量指标。信干噪比增益是输出信干噪比与输入信干噪比之比。可以得到，本发明的自干扰消除性能为

其中，η为信干噪比增益，SINR_out为输出信干噪比，SINR_in为输入信干噪比，P_ii为输入自干扰功率，P_ni为输入噪声功率，ρ定义为I和S的非相关系数，

当I和S正交时，ρ＝1，当I和S相等时，ρ＝0。

需要说明的是本发明所提的自干扰消除性能与P_ii、P_ni和ρ有关。其中I和S的选择决定了ρ值，从而影响自干扰消除性能。为使输出信噪比最大，即自干扰消除性能最优，一般选择正交的极化状态对对I和S赋值。

如图4所示，为本发明的全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法的使用效果图，横坐标表示I和S的非相关系数ρ，纵坐标表示信干噪比增益η，从图4中可以看出，随着I和S的非相关系数ρ的增大，本发明所提的方法能达到的自干扰消除增益越高；随着输入信干噪比的降低(也即自干扰的增强)，本发明所提的方法能达到的自干扰消除增益越高，当输入信干噪比为0dB时(根据仿真参数设置，该情况代表不存在自干扰的情况)，本发明所提的方法在ρ＝1处仍存在3dB的增益，这个增益来源于对高斯白噪声的抑制。

如图5所示，PDC代表本发明所提的极化域数字自干扰消除方法，TDC表示传统方案中提到的时域自干扰消除方法。横坐标表示输入信干噪比，纵坐标表示信干噪比增益η。从图5中可以看出，本发明所提的方法比时频自干扰消除方法具有更高的自干扰消除增益，且自干扰越弱，本发明所提方法的优势越明显。

Claims (3)

1.一种全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法，在每个通信节点配备用来发送和接收极化信号的正交双极化天线，其特征在于，该自干扰消除方法包括如下步骤：

步骤1：在接收端进行极化信号的水平支路和垂直支路联合的时频域射频自干扰消除，并保证不改变自干扰的极化状态；

步骤2：经射频自干扰消除后的极化信号经下变频到达基带后，根据先验的自干扰极化状态和期望信号极化状态构建斜投影极化滤波算子，进行极化滤波；

设S表示期望信号极化状态，I表示自干扰极化状态，自干扰极化状态张成的子空间为Span{I}，期望信号极化状态张成的子空间为Span{S}，则沿着Span{I}向Span{S}投影的斜投影极化滤波算子其中，为自干扰极化状态张成的子空间Span{I}的正交投影算子；E为单位阵；

设到达基带后的极化信号为Y(k)，用斜投影极化滤波算子Q_SI对该极化信号进行极化滤波后的输出信号为Q_SIY(k)＝E_s(k)+Q_SIN(k)，其中，E_s(k)表示期望信号的极化信号序列，N(k)表示二维独立的复高斯白噪声，k表示采样时刻；

步骤3：进行期望信号的匹配接收，得到的输出信号y(k)为：

y(k)＝S^H[Q_SIY(k)]＝x_s(k)+n_o(k)

其中，n_o(k)表示输出的噪声，n_o(k)＝S^HQ_SIN(k)，x_s(k)是输入的期望信号时域序列。

2.根据权利要求1所述的一种全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法，其特征在于，所述的自干扰消除方法，在每个通信节点配备两副正交双极化天线。

3.根据权利要求1所述的一种全双工通信中时频域与极化域处理级联的自干扰消除方法，其特征在于，所述的步骤1中，对水平支路和垂直支路各使用一片QHx220电路进行时频域的射频自干扰消除，设置两片QHx220电路具有共同的时钟和控制信号，控制信号由两路射频自干扰消除的自干扰剩余量之和反馈得到。