CN105577226A - 一种宽带全双工系统的二维多天线对消方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带全双工系统的二维多天线对消方法。其在相位抵消的自干扰消除上增设MN对发射天线,在宽带全双工系统近端全双工节点处由MN对发射天线和一根接收天线构成一个圆形天线布阵结构，接收天线在圆心处，发射天线分布在M个以接收天线为圆心的同心圆上，且两两在一条直径成对分布，每一对中，其中之一距离圆心的距离为d，另一个距离圆心的距离是d+λ_i/2(i＝1,2,...,M)，即一条路径长度与另一条相比相差信号载波波长一半的奇数倍，相位相差，实现相互对消。发送信号从发射天线处先经过具有相邻子带具有奇对称特性的滤波器组频带分割为M个窄频带，再经功分器分为MN份，同时同频发送出去，在接收天线处使自干扰信号相消叠加，明显减少对接收端有用信号的干扰。

Description

一种宽带全双工系统的二维多天线对消方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及全双工通信系统的自干扰抵消领域，尤其涉及一种宽带全双工系统的二维天线对消方法。该方法可以实现全双工通信系统中的宽带信号的发送与接收过程中自干扰信号的消除，使其有更高质量的发送与接收。

背景技术

人类的无线通信历史不长，但是却一直在突发猛进的发展，今天的无线设备的使用越来越普遍。日益增长的无线多媒体服务需求和有限的无线频谱资源，以及用户们对无线网络速度及可靠性实用性越来越高的需求，使得人们越来越专注于研制更高传输速率和更经济有效的无线网络系统。同时，在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中，人们更加需要随时随地获取信息，原来点对点的固定电话通信方式已经不能满足需求了，人们需要宽带的无线通信技术来满足多媒体化，普及化，多样化，全球化和个性化的信息交流。如何提高有限频谱资源的利用率，是现在无线通信系统的主要研究目标，在过去的几十年里，研究者们着力于研究节约无线资源或最大化利用无线资源的各种技术与方法，各种各样的无线通信系统应运而生。但如何在双工领域增强频谱利用率的技术还是有待于提高。

在无线系统中，一个最基本的概念是无线设备不能在相同的频带同时发送与接收数据，即工作于单信道全双工模式。这是由于在每一个节点有两副天线，一副天线用于发送信号，一副天线用于接收信号，而接收天线信号会受到自己节点的发送信号的干扰，由于无线信号在传输过程中会随着距离的增加而迅速衰减，则本来要接收的信号完全淹没在本节点的发送信号(称之为自干扰信号)里。由于大部分现代通信系统都是数字化处理接收信号来解码信号，这就需要使用模数转换器(Analog-to-DigitalConverter,简称ADC)将射频接收信号转化为数字信号。但是在这种情况下，强干扰信号将占据接收信号处理链路中ADC的大部分动态范围，使得较小的有用信号的量化噪声太大，有用信号淹没在量化噪声里，信息丢失。可见设计单通道全双工无线通信系统所面临的巨大的挑战是如何在射频接收信号通过ADC采样之前尽可能消除接收机的强自干扰信号。

2010年9月，美国斯坦福大学SachinKatti等人在国际会议MobiCom‘10上，演示了他们在论文里给出的实验结果，指出采用天线消除技术结合自干扰消除技术可以在802.15.4个域网的2.4GHz频段实现单信道全双工无线通信，该技术可使近端干扰衰减多达60dB。其中干扰消除包括射频干扰消除和数字干扰消除两种自干扰消除技术。后来的研究针对收发天线之间的距离、收发天线的指向及天线的放置位置等方面进行了天线对消的性能的提高。

2015年10月，由西安电子科技大学提交的专利，申请号为201510711024.2，提出了一种窄带全双工系统天线对消技术。其指出在一个节点处增设N对发射天线和一根接收天线，N对发射天线分布在以接收天线为圆心的两个同心圆上，两个圆的半径相差波长一半的奇数倍，此时由功分器将窄带信号均分为2N份，成对的发射天线发送出去，信号到达接收天线处相位相差π，正好符合相位抵消原理，使得自干扰得到很好的消除。但该专利利用每对发射天线之间的距离相差波长一半的奇数倍时，信号相位相反来完成抵消的，这导致该专利只适用于窄带通信的情况，对于宽带情况，其抵消性能将大大下降。

发明内容

鉴于现有技术中的缺点，本发明提出一种宽带全双工系统的二维天线对消方法，使得宽带信号在全双工系统中更高效率的传输。其使用一个滤波器组将宽频带信号分割为多个窄频带信号，且要求相邻滤波器子带之间具有奇对称特性。然后针对每个窄频带增设N对发射天线，将每个窄频带信号送入功分器将其分为2N份发送出去，在本节点的接收天线处两两成对相互抵消，使得自干扰得到一定量的消除。这样多个窄频带同时实现这样的功能，使得整个宽带信号的自干扰得到消除。

本发明的实现基本思路是，首先对宽带信号进行处理，使宽带信号经过一组滤波器，如图1所示，这组滤波器在f₁,f₂,f₃……处满足互补对称(奇对称)特性。这组滤波器将宽带信号的频带分割为M个窄频带，原宽带信号带宽为B，此时M个窄频带的带宽为B/M。然后不同的窄频带信号通过各自的射频通道进行发送。每个窄频带信号对应一个中心频率，可以由λ＝c/f得出所有窄带信号中心频率的M个波长值λ_i(i＝1,2,3……，M)，此时，针对每一个波长值增设N对发射天线，那么M个波长值，即增设MN对发射天线。

然后在全双工节点处将每个窄频带信号通过功率分配器均分为2N份，接着分别通过2N根发射天线发送，每对发射天线分布在以接收天线为圆心的一组同心圆上。针对任何一个波长值λ_i(i＝1,2,3……，M)，由于，半径数目为2条及以上。要求半径均分以接收天线为圆心的圆，例如：当时，共有2对发射天线分别位于2条半径上，这2条半径平分整个圆，所以它们相差180度，也就是在同一条直径上；当时，共有3对发射天线分别位于3条半径上，这3条半径平分整个圆，所以它们相差120度；当时，共有4对发射天线分别位于4条半径上，这4条半径平分整个圆，所以它们相差90度；

以此类推，每一对天线中，其中之一距离接收天线所在的圆心的距为d，另一个距离接收天线所在圆心的距离是d+λ_i/2(i＝1,2,...,M)，达到每对发射天线中的2根发射天线距离位于圆心的接收天线相差信号载波波长λ_i一半的奇数倍，即使得相位差为π，满足相互对消的原理。这样M个N对发射天线发射的信号同时同频发送出去在接收天线处成对相互对消，使得自干扰信号得到很好的消除。

综上所述,本发明在相位抵消的自干扰消除上增设MN对发射天线,在宽带全双工系统近端全双工节点处由MN对发射天线和一根接收天线构成一个圆形天线布阵结构，接收天线在圆心处，发射天线分布在M个以接收天线为圆心的同心圆上，且两两在一条直径成对分布，每一对中，其中之一距离圆心的距离为d，另一个距离圆心的距离是d+λ_i/2(i＝1,2,...,M)，即一条路径长度与另一条相比相差信号载波波长一半的奇数倍，相位相差，实现相互对消。发送信号从发射天线处先经过具有相邻子带具有奇对称特性的滤波器组频带分割为M个窄频带，再经功分器分为MN份，同时同频发送出去，在接收天线处使自干扰信号相消叠加，明显减少对接收端有用信号的干扰,使得宽带信号在全双工系统中更高效率的传输。

附图说明

图1为相邻子带呈奇函数对称特性的滤波器组图；

图2为当N＝2即两对发射天线时天线布阵图；

图3为当N＝4即四对发射天线时天线布阵图

图4为MN对发射天线布阵图的局部图；

图5为包括RF模拟域对消、数字域对消和天线对消的宽带全双工自干扰消除的流程图。

图中：发射天线TX₁₁₁和TX₁₁₂成对，TX₁₂₁和TX₁₂₂成对，……，TX_1N1和TX_1N2成对；TX₂₁₁和TX₂₁₂成对，TX₂₂₁和TX₂₂₂成对，……，TX_2N1和TX_2N2成对；……TX_M11和TX_M12成对，TX_M21和TX_M22成对，……，TX_MN1和TX_MN2成对；接收天线RX在圆心处。

其中，发射天线的TX_MN1和TX_MN2的下标的含义是：第一位代表的是第M个窄频带，第二位是每个子带所分成的第N对发射天线，第三位是1和2对应，即成对的发射天线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1至图5所示，为了实现宽带全双工系统干扰对消，本发明的实现步骤如下：

(1)在全双工节点处，宽带发射信号经过数模变换，再经过上变频器生成射频发射信号。然后射频宽带信号经过一个相邻子带满足奇对称特性的滤波器组，使其宽带频带分割为M个窄频带信号，使原来的带宽B变为B/M，然后将此M个窄频带信号送入全双工节点的功率分配器，功分器输出信号送入发射天线。

(2)全双工节点天线布置如下：在全双工节点共设置2MN(N)根发射天线(MN对发射天线)和1根接收天线。针对每个窄频带即每个M值对应的N对发射天线，全双工节点的每对发射天线分布在以接收天线为圆心的圆的一条半径上。由于N≥2，意味着半径数目为2条及以上。要求半径平分以接收天线为圆心的圆，例如：当N＝2时，共有2对发射天线分别位于2条半径上，这2条半径平分整个圆，所以它们相差180度，也就是在同一条直径上；当N＝3时，共有3对发射天线分别位于3条半径上，这3条半径平分整个圆，所以它们相差120度；当N＝4时，共有4对发射天线分别位于4条半径上，这4条半径平分整个圆，所以它们相差90度；以此类推。每一对中，其中之一距离圆心的距离为d，另一个距离圆心的距离是d+λ_i/2(i＝1,2,...,M)，达到每对发射天线中的2根发射天线距离位于圆心的接收天线相差信号载波波长一半的奇数倍，即使得相位相差π，满足相互对消的原理。这样M个N对发射天线发射的信号同时同频发送出去在接收天线处成对相互对消，使得自干扰信号得到很好的消除。

i、每个全双工节点共有2MN根发射天线，其中M为窄频带数目，每个窄频带的信号发射使用2N根发射天线，其中N≥2，且发射同一窄频带信号的发射天线每2根组成1对发射天线。所有窄频带共使用MN对发射天线。

ii、发射同一窄带信号的N对发射天线分别位于以接收天线为圆心的一对同心圆的N条半径上，且每对发射天线中的2条发射天线分布位于一对同心圆的两个圆上。共有M个窄频带，共需要M对同心圆。

iii、发射同一窄带信号的N对发射天线所在的N条半径平分以接收天线为圆心的两个同心圆，即任意相邻2条半径间的角度相等。

iv、发射同一窄带信号的N对发射天线所在的2个同心圆，半径相差信号载波波长一半的奇数倍。在圆心的接收天线处，由于位于2个同心圆上的发射同一窄带信号的N对发射天线的发射信号到达位于圆心的接收天线的路径长度相差信号载波波长一半的奇数倍，发射信号在接收天线上相位差，相消叠加，实现自干扰的天线对消。

(3)全双工节点的射频发射信号先通过滤波器将宽带信号分割为M个窄频带信号，再对每个窄带信号通过功率分配器等分成2N份，然后通过2MN根发射天线发送，在该全双工节点的接收天线处，实现自干扰天线对消。

(4)接收天线接收其它全双工节点的有用信号及在接收天线处完成自干扰抵消后的剩余的本节点的发射信号，再通过噪声消除芯片进一步进行射频干扰抵消，得到自干扰更小的有用信号。

(5)上述处理后的信号经过下变频处理到基带信号，然后模数变换到数字域，在数字域进行干扰消除。

(6)对抵消完成后的接收信号进行解码，得到期望信号。

其中,所述步骤(2)中全双工节点天线的具体布置如下：

每个全双工节点共有2MN根发射天线，其中N≥2。发射天线每2根组成1对发射天线，共有MN对发射天线。针对每个M值，N对发射天线分别位于以接收天线为圆心的圆的N条半径上，且组成两个同心圆，每对发射天线中的2条天线分别位于不同的同心圆上。N条半径平分以接收天线为圆心的圆，即任意相邻2条半径间的角度相等。N对发射天线所在的2个同心圆，半径相差信号载波波长一半的奇数倍。在接收天线处，由于2个同心圆上的发射天线的发射信号到达位于圆心的接收天线的路径长度相差信号载波波长一半的奇数倍，发射信号在接收天线上相位差π，相消叠加，实现自干扰的天线对消。如此M个N对发射天线发射的信号同时同频发送出去在接收天线处成对相互对消，使得自干扰信号得到很好的消除。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宽带全双工系统的二维多天线对消方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)在全双工节点处，宽带发射信号经过数模变换，再经过上变频器生成射频发射信号；然后射频宽带信号经过一个相邻子带满足奇函数对称特性的滤波器组，使其宽带频带分割为M个窄频带信号，使原来的带宽B变为B/M，然后将此M个窄频带信号送入全双工节点的功率分配器，功分器输出信号送入发射天线；

(2)进入全双工节点天线布置；其中，全双工节点天线布置如下：在全双工节点共设置2MN(N)根发射天线(其中M为窄频带数目，每个窄频带的信号发射使用2N根发射天线，MN对发射天线)和1根接收天线；每个M值对应N对发射天线，全双工节点的每对发射天线分布在以接收天线为圆心的圆的一条半径上；

即：当N≥2，即半径数目为2条或大于2条时，半径平分以接收天线为圆心的圆，其中，当N＝2时，共有2对发射天线分别位于2条半径上，这2条半径平分整个圆，两条半径间相差180度，也就是在同一条直径上，当N＝3时，共有3对发射天线分别位于3条半径上，3条半径平分整个圆，两相邻半径间相差120度；当N＝4时，共有4对发射天线分别位于4条半径上，这4条半径平分整个圆，两相邻半径间相差90度；以此类推，每一对中，其中之一距离圆心的距离为d，另一个距离圆心的距离是d+λ_i/2(i＝1,2,...,M)，达到每对发射天线中的2根发射天线距离位于圆心的接收天线相差信号载波波长一半的奇数倍，即使得相位相差π，相互对消；M个N对发射天线发射的信号同时同频发送出去在接收天线处成对相互对消，使得自干扰信号得到很好的消除；

(3)全双工节点的射频发射信号先通过滤波器将宽带信号分割为M个窄频带信号，再对每个窄带信号通过功率分配器等分成2N份，然后通过2MN根发射天线发送，在该全双工节点的接收天线处，进行天线干扰消除，此处为自干扰天线对消；

(4)接收天线接收其它全双工节点的有用信号及在接收天线处完成自干扰抵消后的剩余的本节点的发射信号，再通过噪声消除芯片进一步进行射频天线干扰消除，得到自干扰更小的有用信号；

(5)上述处理后的信号经过下变频处理到基带信号，然后模数变换到数字域，在数字域进行天线干扰消除；

(6)对抵消完成后的接收信号进行解码，得到期望信号。

2.根据权利要求1中所述一种宽带全双工系统的二维多天线对消方法，其特征在于，所述步骤(2)中具体包括以下步骤：

i、每个全双工节点共有2MN根发射天线，其中M为窄频带数目，每个窄频带的信号发射使用2N根发射天线，其中N≥2，且发射同一窄频带信号的发射天线每2根组成1对发射天线；所有窄频带共使用MN对发射天线；

ii、发射同一窄带信号的N对发射天线分别位于以接收天线为圆心的一对同心圆的N条半径上，且每对发射天线中的2条发射天线分布位于一对同心圆的两个圆上；共有M个窄频带，则共有M对同心圆；

iii、发射同一窄带信号的N对发射天线所在的N条半径平分以接收天线为圆心的两个同心圆，即任意相邻2条半径间的角度相等；

iv、发射同一窄带信号的N对发射天线所在的2个同心圆，半径相差信号载波波长一半的奇数倍；在圆心的接收天线处，位于2个同心圆上的发射同一窄带信号的N对发射天线的发射信号到达位于圆心的接收天线的路径长度相差信号载波波长一半的奇数倍，发射信号在接收天线上相位差，相消叠加，实现自干扰的天线对消。

3.根据权利要求1中所述一种宽带全双工的二维天线对消方法，其特征在于，所述步骤(1)中的宽带信号经过一个滤波器组，该滤波器组满足相邻子带之间具有互补对称(奇对称)特性；原宽带信号带宽为B，频带分割为M个窄频带，其频带带宽为B/M。

4.根据权利要求1所述的一种宽带全双工系统的二维天线对消方法，其特征在于：步骤(3)、(4)、(5)中所述的天线干扰消除，还佐以射频域的噪声消除芯片的干扰消除和数字域的相关参考信号的干扰消除共同作用来消除宽带全双工系统的自干扰。