CN104682996B

CN104682996B - 一种全双工系统的自干扰消除方法

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Publication number: CN104682996B
Application number: CN201510055019.0A
Authority: CN
Inventors: 程翔; 鞠培中; 温淼文
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2035-02-03
Also published as: CN104682996A

Abstract

本发明公布一种全双工系统的自干扰消除方法，每个全双工节点包括符号调制器、发射模块、接收模块和两根天线；通过节点的接收模块收集连续多个时隙的数据进行代数运算即可进行自干扰消除；得到变换后的接收信号之后，再通过最大似然方法进行解调。发射模块可通过旋转符号调制器的星座点的方法发射符号，避免对变换后的接收信号进行解调时出现固有模式的解调错误。本发明既可用于普通全双工系统，又可用于空域调制全双工系统中；其消除自干扰无需进行自干扰信道的估计，提高信噪比，降低设备成本，提高通信效率，对于通信设备制造商、通信运营商都有重大经济价值。

Description

一种全双工系统的自干扰消除方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，尤其涉及一种全双工系统的自干扰消除方法。

背景技术

在无线通信领域，全双工(FD，Full Duplex)技术是指一个通信节点在同一时间同一频带发送和接受数据，相较于传统的半双工模式有着更高的频谱效率。全双工的主要问题是每个通信节点会受到极强的自干扰。具体来说，无线信号随着距离的增大而衰减，本地的发射天线的信号会大大高于其他节点发射天线的信号，以至于难以解调来自其他发射结点的信息。

针对全双工系统，现有的数字域自干扰消除采用的方法是直接估计自干扰信道，然后再进行自干扰消除。这种方法需要额外进行自干扰信道的估计，会造成传输效率的降低，该问题在自干扰信道变化较快时尤为严重。

空域调制全双工(SMFD，Spatial Modulation Full Duplex)是全双工系统的一种，它将空域调制(SM，Spatial Modulation)技术应用到了全双工技术中。SM技术是一项新颖的多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple Output)技术。SM有两个信息携带单元，一个是发射符号，一个是天线序号。现有技术在SM调制中，每一时隙从符号调制器的星座图中选择一个符号，选择一根发射天线激活并将此符号发射出去。此符号和激活的发射天线的天线序号(或空间位置)均携带发射信息。在全双工场景下，SM体现为选择发射天线和接受天线的序号。在全双工中使用SM可以充分利用全双工节点拥有多根天线带来的空间资源。然而，和普通的全双工一样，空域调制全双工同样受到极强的自干扰，而现有的自干扰消除方法需要额外进行自干扰信道的估计，造成传输效率低下，且难以有效地消除空域调制全双工系统的自干扰，无法使得每个节点能更好地解调所需信息。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种新颖的全双工系统的自干扰消除方法。在下面的说明中，普通全双工系统指的是未进行空域调制的全双工系统，全双工系统包括普通全双工系统和空域调制全双工系统。本发明既可以应用于全双工系统中，即既可用于普通全双工系统中，也可以运用于空域调制全双工系统中。该方法通过全双工节点的接收模块收集连续的多个时隙数据进行自干扰消除，达到无需估计信道即可在数字域消除自干扰的目的。

本发明的技术方案是：

一种全双工系统的自干扰消除方法，全双工系统包括全双工节点A和B；每个全双工节点包括符号调制器、发射模块、接收模块和两根天线；其中，符号调制器的作用是将所要发射的信息映射到符号调制器的星座点上；两根天线中的一根为发射天线，另一根为接收天线；全双工系统的自干扰消除方法通过全双工节点的接收模块收集连续多个时隙的数据进行自干扰消除，包括如下步骤：

1)对于每一个全双工节点，发送给符号调制器的信息比特流被调制到符号调制器相应的星座点上，该信息比特流完成调制后发送给发射模块；

2)对于每一个全双工节点，通过发射模块发射符号；将发射模块发射的信息与接收模块共享，即将发射模块所发射的符号内容也传给接收模块；在第i时隙，节点A的发射天线a_i所发射的符号设为节点B的发射天线b_i所发射的符号设为节点A的接收天线所接收的信号记为对应的噪声为

3)经过发射模块连续多个时隙发射，节点A的发射天线a_i发射的连续多个时隙的符号为节点B的发射天线b_i发射连续多个时隙的符号为节点A的接收模块接收连续多个时隙的信号为对应的噪声为建立如下等式：

式1中，a_i和b_i分别为第i时隙A节点和B节点的发射天线；和分别为第i时隙A节点和B节点的接收天线；其中a_i∈{1,2},b_i∈{1,2},若为普通全双工系统，它们的值与i的值无关，若为空域调制全双工系统，它们的值与i的取值有关；为节点A在第i个时隙所发射的符号；为节点B在第i个时隙所发射的符号；h_A为A节点自干扰信道在窄带信号所在中心频率上的响应；h_i,j为A节点的第i根天线和B节点的第j根天线之间的信道在窄带信号所在中心频率上的响应；

4)在式1方程的两边都乘上下面的矩阵式2，对应的实际操作即为对节点A的连续多个时隙的接收信号做与矩阵乘法相应的运算：

该矩阵的构造需要获取本节点对应时隙的发射符号该矩阵设计的目的在于可以消除自干扰项即自干扰项乘上该矩阵后得零。通过矩阵乘法运算可以得到式3：

式3中，

5)通过式3～式4得到即为节点A的接收模块接收到的连续多个时隙的接收信号经过变换得到自干扰消除后的接收信号；也就是，对于每一个全双工节点，接收模块通过利用发射模块共享的发射符号对接收信号进行自干扰的消除。

通过上述全双工系统的自干扰消除方法对节点接收信息进行自干扰的消除，得到变换后的接收信号之后，再利用最大似然方法对变换后的接收信号进行解调。

针对上述全双工系统的自干扰消除方法，若所述全双工系统为空域调制全双工系统，则每个全双工节点还包括一个空域调制器，通过全双工节点的空域调制器进行SM(空域调制)，将全双工节点所要发射的信息映射为天线序号；每根天线为发射天线和接收天线中的一种，但不能同时为发射天线和接收天线，具体通过全双工节点的空域调制器选择决定。

针对上述全双工系统的自干扰消除方法，若所述全双工系统为空域调制全双工系统，在步骤1)之前，对于每一个全双工节点，将信息比特流分为两个部分；一部分信息比特流用来控制空域调制器决定本节点的两根天线中，哪一根天线是发射天线或接收天线；另一个部分信息比特流被编码并发送给符号调制器。

针对上述全双工系统的自干扰消除方法，优选地，步骤2)和步骤3)中，可以通过旋转符号调制器的星座点的方法发射符号，具体来说，对于通信的双方，只在一方每隔一个时隙进行发射符号星座点的旋转来发射符号。旋转符号调制器的星座点具体根据调制方式来旋转，即旋转角度由调制方式决定。调制方式包括M-PSK调制、BPSK调制和QPSK调制等。一般说来，对于M-PSK调制，旋转的角度为π/M。如对于BPSK调制而言，角度为π/2；对于QPSK调制而言，角度为π/4。如果选择节点A进行星座点旋转，则节点A进行旋转星座点之后连续多个时隙的发射符号X_A和节点B未进行旋转星座点的连续多个时隙的发射符号X_B可以分别表示为：

式7和式8中，带下标Origin的参数(·)_origin(包括 )代表节点A未进行旋转星座点时连续多个时隙的发射符号，分别代表节点A和节点B连续多个时隙发射的符号，节点A进行旋转星座点，节点B未进行旋转星座点；e代表自然对数，i代表虚数单位，π代表圆周率，M代表M-PSK调制的阶数，即采用M-PSK调制。

通过上述旋转符号调制器的星座点的方法，可避免在进行自干扰的消除得到变换后的接收信号之后，对变换后的接收信号通过最大似然方法进行解调时出现固有模式的解调错误。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种全双工系统的自干扰消除方法，该方法通过全双工节点的接收模块收集连续的多个时隙数据进行自干扰消除，使得无需估计信道即可在数字域消除自干扰。本发明的优点体现在以下几方面：

一、本发明通过对连续多个时隙接收到的数据进行相关的代数运算，无需进行自干扰信道的估计，即可消除自干扰；

二、通过本发明方法进行了自干扰的消除，使得信噪比得到了提高；

三、本发明选取连续多个时隙接收到的数据进行自干扰消除，选取的时隙数越多，所利用的信道空间自由度越大，实际应用中根据实际运算能力，可通过调整时隙数来协调性能和运算复杂度；

四、本发明既可以运用于传统的普通全双工系统，又可以运用于空域调制全双工系统中。

本发明对于通信设备制造商、通信运营商都有重大经济价值。本发明能够提高系统设备的竞争力，提高通信的效率，降低系统设备投入和运营成本，从而提高通信设备制造商和运营商的收入和利润。

附图说明

图1是本发明实施例在普通全双工系统中每个节点进行自干扰消除的流程框图。

图2是本发明实施例在空域调制全双工系统中每个节点进行自干扰消除的流程框图。

图3是本发明实施例采用的两个节点各有两根天线的系统模型示意图；

其中，A—节点A；B—节点B；a₁～a₂—节点A的两根天线；b₁～b₂—节点B的两根天线；；h_A—节点A自干扰信道的大小；h_B—节点B自干扰信道在窄带信号所在中心频率上的响应；h_i,j为节点A的第i根天线和节点B的第j根天线之间的信道在窄带信号所在中心频率上的响应，i,j取值分别为1或2。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供的自干扰消除方法通过全双工节点的接收模块收集连续的多个时隙数据进行自干扰消除。图1是本发明在普通全双工系统中每个节点进行自干扰消除的流程框图。图2是本发明在空域调制全双工系统中每个节点进行自干扰消除的流程框图。

以下实施例采用的全双工系统，包括各有两根天线的两个全双工节点，其系统模型如图3所示；全双工系统包括两个全双工节点A和B；对于传统全双工系统，每个节点包括符号调制器、发射模块、接收模块和两根天线；对于空域调制全双工系统，每个节点包括空域调制器、符号调制器、发射模块、接收模块和两根天线。

本发明提供的全双工系统的自干扰消除方法，对于每个节点，包括如下步骤：

步骤一：划分

对于空域调制全双工系统，在此步骤中，将信息比特流分为两个部分，一部分信息进行天线的分配，即用来控制空域调制器决定本节点中发射天线和接收天线分别是哪一根天线；另一个部分信息被编码并送给符号调制器；对于传统全双工系统，无需进行此步骤。

步骤二：调制

在此步骤中，信息被调制到符号调制器相应的星座点上，完成后送给发射模块。

步骤三：自干扰消除

发射模块将所发射的内容与接收模块共享，从而接收模块可以利用发射模块共享的发射的内容信息进行自干扰的消除。

应用本发明提供的全双工系统的自干扰消除方法，时隙数的选取可以依据实际设备的运算能力进行调整，实施例一和实施例二列举了二时隙和三时隙下的情况。其中，优选地，可以从两个节点中选择一个节点进行调制器星座点的旋转。

实施例一：

二时隙情况下，对于每一个全双工节点，包括如下步骤：

1)对于空域调制全双工系统，将信息比特流分为两个部分，一部分信息用来控制空域调制器决定本节点中发射天线和接收天线分别是哪一根天线，另一个部分信息被编码并送给符号调制器；对于传统的全双工系统，无需进行此步骤；

2)送给符号调制器的信息被调制到符号调制器相应的星座点上，完成调制后送给发射模块进行发射；

3)发射模块将所发射的内容与接收模块共享；

4)接收模块利用发射模块共享的发射的内容信息进行自干扰的消除。具体为对连续两个时隙接收的数据和通过式4进行运算：

5)利用式3得到式10：

再运用最大似然方法对解调出所需信息。

若对发射符号进行星座点旋转，根据式7和式8，则连续二时隙的发射符号为：

X_{A} = [\begin{matrix} x_{A}^{1} \\ x_{A}^{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {(x_{A}^{1})}_{o r i g i n} \\ e^{\frac{i π}{M}} {(x_{A}^{2})}_{o r i g i n} \end{matrix}]; X_{B} = [\begin{matrix} x_{B}^{1} \\ x_{B}^{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {(x_{B}^{1})}_{o r i g i n} \\ {(x_{B}^{2})}_{o r i g i n} \end{matrix}] .

实施例二：

三时隙情况下，对于每一个全双工节点，包括如下步骤：

1)对于空域调制全双工系统，将信息比特流分为两个部分，一部分信息用来控制空域调制器决定本节点中发射天线和接收天线分别是哪一根天线，另一个部分信息被编码并送给符号调制器；对于传统全双工系统，无需进行此步骤；

3)发射模块将所发射的内容与接收模块共享；

4)接收模块利用发射模块共享的发射的内容信息进行自干扰的消除。具体操作为对连续三个时隙接收的数据，通过式4进行运算，得到式11：

5)利用式3得到式12：

再运用最大似然方法对解调出所需信息。

若对发射符号进行星座点旋转，根据式7和式8，则连续三时隙的发射符号为：

X_{A} = [\begin{matrix} x_{A}^{1} \\ x_{A}^{2} \\ x_{A}^{3} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {(x_{A}^{1})}_{o r i g i n} \\ e^{\frac{i π}{M}} {(x_{A}^{2})}_{o r i g i n} \\ {(x_{A}^{3})}_{o r i g i n} \end{matrix}]; X_{B} = [\begin{matrix} x_{B}^{1} \\ x_{B}^{2} \\ x_{B}^{3} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {(x_{B}^{1})}_{o r i g i n} \\ {(x_{B}^{2})}_{o r i g i n} \\ {(x_{B}^{3})}_{o r i g i n} \end{matrix}] .

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种全双工系统的自干扰消除方法，所述全双工系统包括全双工节点A和B；每个全双工节点包括符号调制器、发射模块、接收模块和两根天线，每根天线为发射天线和接收天线中的一种；其特征是，所述自干扰消除方法通过全双工节点的接收模块收集连续多个时隙的数据进行自干扰消除，具体包括如下步骤：

1)对于每一个全双工节点，发送给符号调制器的信息比特流被调制到符号调制器相应的星座点上，所述信息比特流完成调制后发送给发射模块；

2)对于每一个全双工节点，通过发射模块发射符号；并将发射模块所发射的符号内容也传给接收模块；在第i时隙，节点A的发射天线a_i所发射的符号设为节点B的发射天线b_i所发射的符号设为节点A的接收天线所接收的信号记为对应的噪声记为

式1中，a_i和b_i分别为A节点和B节点的发射天线；和分别为A节点和B节点的接收天线；为节点A在第i个时隙所发射的符号；为节点B在第i个时隙所发射的符号；h_A为A节点自干扰信道在窄带信号所在中心频率上的响应；h_i,j为A节点的第i根天线和B节点的第j根天线之间的信道在窄带信号所在中心频率上的响应；

4)在式1方程的两边都乘上下面的矩阵式2，对节点A的连续多个时隙的接收信号做与矩阵乘法相应的运算：

通过矩阵乘法运算得到式3：

式3中，

5)通过式3得到为节点A的接收模块接收到的连续多个时隙的接收信号经过变换得到自干扰消除后的接收信号。

2.如权利要求1所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，步骤5)得到经过变换消除自干扰后的接收信号之后，再通过最大似然方法对变换后的接收信号进行解调。

3.如权利要求1所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，所述全双工系统为空域调制全双工系统，每个全双工节点还包括一个空域调制器，通过全双工节点的空域调制器进行空域调制，将所述全双工节点所要发射的信息映射为天线序号；每根天线为发射天线和接收天线中的一种，通过全双工节点的空域调制器选择决定。

4.如权利要求3所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，在步骤1)之前，对于每一个全双工节点，将信息比特流分为两个部分；一部分信息比特流用来控制空域调制器决定本节点的两根天线中，哪一根天线是发射天线或接收天线；另一个部分信息比特流被编码并发送给符号调制器。

5.如权利要求1所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，步骤2)和步骤3)所述发射模块发射符号是通过旋转符号调制器的星座点的方法来发射符号的。

6.如权利要求5所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，所述旋转符号调制器的星座点的方法，具体为：对于通信的双方，只在一方每隔一个时隙进行发射符号星座点的旋转来发射符号。

7.如权利要求5所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，所述旋转符号调制器的星座点具体是根据调制方式来旋转发射符号星座点的。

8.如权利要求7所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，所述调制方式包括M-PSK调制、BPSK调制和QPSK调制。

9.如权利要求8所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，当所述调制方式为M-PSK调制，所述发射符号星座点旋转的角度为π/M，M代表调制的阶数；当所述调制方式为BPSK调制，所述发射符号星座点旋转的角度为π/2；当所述调制方式为QPSK调制，所述发射符号星座点旋转的角度为π/4。

10.如权利要求8所述全双工系统的自干扰消除方法，其特征是，所述调制方式为M-PSK调制，所述旋转符号调制器的星座点的方法具体是：设定节点A进行星座点旋转，则星座点旋转的角度为π/M，节点A进行旋转星座点之后连续多个时隙发射的符号X_A表示为：

式7中，代表节点A未进行旋转星座点时连续多个时隙的发射符号，为节点A进行旋转星座点之后连续多个时隙发射的符号，e代表自然对数，i代表虚数单位，π代表圆周率，M代表M-PSK调制的阶数。