CN106788579B - 带内全双工无线通信系统及其宽带光学自干扰消除系统 - Google Patents

带内全双工无线通信系统及其宽带光学自干扰消除系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带内全双工无线通信系统及其宽带光学自干扰消除系统，包括：第一通信单元和第二通信单元，第一通信单元和第二通信单元中各自包含有发射天线和接收天线，用于实现实时双向通信，并且在第一通信单元和第二通信单元中设置有基于宽带光学自干扰消除系统，包括：电吸收调制器、可调光衰减器、可调光延时线、平衡接收机以及预失真滤波器；用于消除产生的自干扰信号。本发明主要解决无线信道不平坦导致的抑制带宽严重降低的问题，在光学自干扰消除系统中加入预失真滤波器用以补偿信道幅度响应不平坦，实现了在传输信号所占据的整个通频带内获得较好的自干扰抑制比。本发明对基带信号的带宽透明，可支持宽带宽的基带信号。

Description

带内全双工无线通信系统及其宽带光学自干扰消除系统
技术领域
本发明涉及微波光子学及无线通信技术领域，具体地，涉及带内全双工无线通信系统及其宽带光学自干扰消除系统。
背景技术
随着第四代移动通信网络的商用，各种新颖的无线多媒体业务不断应用，用户对无线通信系统传输速率和传输容量的需求急剧增加，更好地利用和拓展有限的频谱资源接入成为亟待解决的问题。无线传输速率的提升需要提升频谱效率、增大可用带宽，或开发更高频率的新频段。而通过开发更高阶调制格式提升频谱效率会增加成本，且由于频谱资源的紧张性，增大可用带宽的成本也很高。为更高效地利用日益紧张的无线频谱资源，下一代移动通信系统对带内全双工技术，即同时同频全双工技术提出了新的需求。与现有的频分双工(Frequency-Division Duplex，FDD)或者时分双工(Time-Division Duplex，TDD)系统相比，带内全双工系统(In-Band Full-Duplex,IBFD)在同一个频率信道上实现用户之间的实时双向通信，将频谱利用率增加了一倍，可以实现大密度、高效率的网络接入。
带内全双工无线通信系统将不需要FDD或TDD模式在频域或时域上单独分离上、下行信道，可以在同一时刻以相同的频率进行无线信号的收发，实现实时双向无线通信。由于带内全双工系统的发射天线与接收天线在物理位置上的接近，大功率的发射信号会被接收天线接收，对微弱功率的同频段接收信号产生干扰，即同频自干扰效应。自干扰效应会严重影响接收信号的质量，制约着带内全双工技术优势的发挥，是全双工通信发展的一大瓶颈技术。因此，实现带内全双工通信的首要问题就是对同频自干扰进行消除。基于电子学方案的自干扰消除系统工作带宽、工作频段以及消除性能受电子元件性能限制。基于微波光子学的自干扰消除技术将光学技术的优势应用到自干扰消除系统中，可以支持更高频段的电信号在光域进行处理，从而实现自干扰消除系统对高频段的扩展、在高传输带宽下进行自干扰消除。现有基于光学方案的自干扰消除技术中，一般使用马赫曾德尔调制器、电吸收调制器等宽带调制器对电信号进行调制。利用光器件的性质从接收到的信号中减去自身系统的发射信号部分，得到微弱的有用接收信号。这一过程需要复制自身系统的发射信号，并对其进行反相、延时和衰减以尽量完全将接收信号中的自干扰部分减去。
经过现有文献检索发现，M.P.Chang等人在《IEEE MICROWAVE AND WIRELESSCOMPONENTS LETTER(电气和电子工程师协会微波和无线器件快报)》(Vol.23,No.2，2013)上发表了题为“Optical analog self-interference cancellation using electro-absorption modulators”的文章，提出了一种光学自干扰消除方案，针对宽带带内全双工技术展开探索。该方案使用两个电吸收调制激光器(EAM)以及一个平衡光电探测器(BPD)，利用平衡光电探测器两路光电流相减的原理，将调制到光载波上的自干扰信号除去，并通过平衡光电探测器恢复出所需的电信号。这一方案探索了电吸收调制器与平衡光电探测器配合的自干扰消方案，获得了相对电学方案较高频段的自干扰信号消除，文献中报告了900MHz频段以及2.4GHz频段的获得40MHz带宽约40dB的抑制比。该方案证明的工作频段以及抑制带宽等参数仅能适应现有的商用无线系统，没有更好体现基于微波光子学的自干扰消除系统高频段、宽带宽的优势。
又经检索发现，Qi Zhou等人于2014年在《Optics Letters(光学快报)》(Vol.39,No.22，2014)上发表了题为“Wideband co-site interference cancellation based onhybrid electrical and optical techniques”的文章。该文章提出了基于光电混合的自干扰消除方案，该方案使用平衡-不平衡变换器(Balun)对复制的发射信号进行电学反相，使用了两个电吸收调制激光器(EAM)以将电信号调制到光载波上，其中EAM 1调制接收到的有用信号以及噪声，EAM 2调制前级Balun输出的已反相的参考信号。调制好的信号分别经上下两分支光路传输并耦合后，送入光电接收机PD中进行光电转换。其中下分支光路对信号进行衰减和延时，以对准并消除上分支光路中的干扰信号。衰减和延迟都需要精确调整以获得最大化的干扰抑制比。实验获得了220MHz带宽内的45dB抑制比以及10MHz窄带宽内57dB的抑制比，对于宽带5.5GHz信号仍可获得30dB的抑制比。该方案受限于Bulun的工作带宽，不能将全双工频段拓展到更高频。对于下一代无线通信系统而言，希望获得更高频段的频谱资源用于带内全双工通信。
将光学自干扰消除系统配置到带内全双工无线通信系统中，尤其在需要较宽通带频段的场景中，光学自干扰消除系统将面临复制的发射信号与经过无线信道传输的自干扰信号在频域上无法匹配的问题，导致当某一个频点附近幅度值与时延值匹配后，其他频点处无法合适匹配，从而严重限制了自干扰消除带宽，从而限制了带内全双工通信带宽。本发明着重解决无线信道的频响补偿技术，以拓宽光学自干扰消除的工作带宽。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带内全双工无线通信系统及其宽带光学自干扰消除系统。
根据本发明提供的带内全双工无线通信系统，包括：第一通信单元和第二通信单元，所述第一通信单元和第二通信单元中各自包含有发射天线和接收天线，用于实现实时双向通信，并且在第一通信单元和第二通信单元中设置有宽带光学自干扰消除系统，用于消除产生的自干扰信号。
优选地，所述第一通信单元包括：发射天线、接收天线、混频器以及宽带光学自干扰消除系统，基带发送信号分成两路，其中一路信号通过混频器后由发射天线发出，另一路信号和接收天线接收的基带发送信号一同进入宽带光学自干扰消除系统进行减法处理，得到基带接收信号。
优选地，所述第二通信单元包括：发射天线、接收天线、第一混频器、低通滤波器、第二混频器以及宽带光学自干扰消除系统，基带发送信号分成两路，其中一路信号通过第一混频器后由发射天线发出，另一路信号和接收天线接收的基带发送信号一同进入宽带光学自干扰消除系统进行减法处理后再依次通过第二混频器、低通滤波器，输出基带接收信号。
优选地，所述宽带光学自干扰消除系统包括：电吸收调制器、可调光衰减器、可调光延时线、平衡接收机以及预失真滤波器；具体地，以两个电吸收调制器为基础构建两条光支路，分别记为第一路径和第二路径，其中：
所述第一路径中仅设置有第一电吸收调制器EML1；接收天线将接收到的基带发送信号经过第一电吸收调制器EML1后进入平衡接收机；
所述第二路径中依次设置有：第二电吸收调制器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线；基带发送信号中的另一路信号依次经过预失真滤波器、第二电吸收调制器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线后进入平衡接收机；
由第一路径和第二路径的输出的两路信号在光平衡接收机中进行光电信号的减法操作，实现自干扰信号的消除。
优选地，接收天线接收的信号包括：同一通信单元中发射天线发送的自干扰信号和对方通信单元发射天线发出的有用信号。
根据本发明提供的基于无线信道频响补偿的宽带光学自干扰消除系统，包括：电吸收调制器、可调光衰减器、可调光延时线、平衡接收机以及预失真滤波器；具体地，以两个电吸收调制器为基础构建两条光支路，分别记为第一路径和第二路径，其中：所述第一路径中仅包括第一电吸收调制器EML1；第二路径中依次包括：第二电吸收调制器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线，且第一路径和第二路径的输出信号在光平衡接收机中进行光电信号的减法操作，实现自干扰信号的消除。
优选地，还包括预失真滤波器，所述预失真滤波器设置在第二路径中第二电吸收调制器EML2的前级位置，用于去除基带发送信号中的低频信号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的基于无线信道频响补偿的宽带光学自干扰消除系统，能够对宽带自干扰信号进行消除，得到较好的抑制带宽和抑制比，实现两个通信用户射频信号在同一频带内同时传输，倍增频谱效率。
2、本发明提供的基于无线信道频响补偿的宽带光学自干扰消除系统，一定程度上能够解决宽带通信带内全双工系统中因无线信道不平坦造成的全双工带宽大幅下降的问题。
3、本发明提供的基于无线信道频响补偿的宽带光学自干扰消除系统，设计的滤波器安置于基带单元后级，即射频调制之前；该设计可实现对基带带宽的透明化以及滤波器成本的降低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于无线信道频响补偿的宽带自干扰消除系统及以其为核心的带内全双工通信系统示意图；
图2为本发明所针对的无线信道频响不平坦问题展示图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的基于无线信道频响补偿的宽带光学自干扰消除系统，包括：电吸收调制器、可调光衰减器、可调光延时线、平衡接收机以及预失真滤波器；具体地，以两个电吸收调制器为基础构建两条光支路分别记为路径1和路径2，其中：所述路径1仅包括一个电吸收调制器；路径2依次包括：电吸收调制器、可调光衰减器以及可调光延时线，且路径1和路径2的输出信号共同接入光平衡接收机的中进行光电信号的相减。
具体原理如下所述：
本发明的应用场景是带内全双工无线通信系统，附图1是两个通信单元(通信单元1和通信单元2)构建成的带内全双工系统简要模型。两个通信单元各自分别拥有一个发射天线(TX)和一个接收天线(RX)用于实时双向通信。收发无线信号均位于同一频带。自干扰消除系统通过复制本地发射的信号，经幅度与相位匹配后与接收天线中接收的自干扰信号相减以获得有用信号。宽带通信中，因天线的幅度响应在频域不平坦，而复制的本地信号是幅度响应平坦的，因而二者难以在宽带上匹配从而获得良好的消除效果。复制路和天线接收路的信道幅度响应如附图2所示。二者仅在部分频段内能够获得相对平坦的幅度响应。为解决这一困难，获得宽带自干扰消除，提出了在复制路基带上增加一个预失真滤波器，用以补偿天线幅度响应不平坦造成的宽带失配。该系统具体工作原理如图所述。
所研究的基于电吸收调制器(EML)的自干扰消除系统中，电吸收调制器EML1中调制的是接收天线收到的自干扰信号(记为VSI(t))和对方发送来的有用信号(记为VSOI(t))之和，电吸收调制器EML2中调制的是复制的发送信号，记为Vt(t)。则两个EML的输出光功率I1和I2分别表示为
I1＝I10Tv(Vb+VSOI(t)+VSI(t)). (1)
I2＝I20Tv(Vb+Vt(t)). (2)
式中：Tv为EML的吸收函数，即调制函数，I10与I20为两个EML的初始光功率，Vb为EML的最佳偏置电压点。
将式(1)与式(2)展开，得到
I1＝I10Tv(Vb+VSOI(t)+AVst(t)*h(t))
＝I10Tv(Vb+VSOI(t))+I10Tv(Vb+AVst(t)*h(t)). (3)
I2＝I20Tv(Vb+A'Vst(t)*h'(t)). (4)
式中：Vst(t)表示天线发送的信号，A与A'表示信号在传输过程中的幅度变化系数。h(t)表示从发射天线到本地接收天线之间无线信道的冲激响应，h'(t)表示预失真滤波器的冲激响应。经过自干扰消除系统后，平衡光电探测器后端获取的电信号Vsr(t)可表示为：
Figure BDA0001184798750000061
当满足下述条件
α1I10ATv(Vb+Vst(t)*h(t))＝α2I20A'Tv(Vb+Vst(t-τ)*h'(t)), (6)
即
α1I10A＝α2I20A', (7)
St(ω)H(ω)＝St(ω)ejωτH'(ω), (8)
H'(ω)＝H(ω)e-jωτ, (9)
公式(5)即可化简为
Figure BDA0001184798750000062
式中：α1表示路径1的光功率衰减值，α2表示路径2的光功率衰减值，*表示卷积运算，St(ω)表示自干扰信号的傅里叶运算，H'(ω)表示补偿后的补偿信号传输信道频率响应，ω表示信道频率响应自变量角频率，
Figure BDA0001184798750000063
表示光电探测器响应常数，τ表示路径2上的可调光延时线控制时延。
公式(10)所表示的是自干扰信号完全消除，仅剩下所需的信号VSOI(t)。而满足公式(10)所需的条件是公式(7)和(9)。公式(7)可通过调节自干扰消除系统中路径2上的可调光衰减器来实现。公式(9)则需探测无线信道的频率响应H(ω)，并通过调节路径2上的可调光延时线控制时延τ，以及修改预失真滤波器参数令其可补偿无线信道的频响H(ω)。此即本发明设计的基于无线信道频响补偿的宽带自干扰消除系统工作原理。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种带内全双工无线通信系统，其特征在于，包括：第一通信单元和第二通信单元，所述第一通信单元和第二通信单元中各自包含有发射天线和接收天线，用于实现实时双向通信，并且在第一通信单元和第二通信单元中设置有宽带光学自干扰消除系统，用于消除产生的自干扰信号；
所述宽带光学自干扰消除系统包括：电吸收调制器、可调光衰减器、可调光延时线、平衡接收机以及预失真滤波器；具体地，以两个电吸收调制器为基础构建两条光支路，分别记为第一路径和第二路径，其中：
所述第一路径中仅设置有第一电吸收调制器EML1；接收天线将接收到的基带发送信号经过第一电吸收调制器EML1后进入平衡接收机；
所述第二路径中依次设置有：第二电吸收调制器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线；基带发送信号中的另一路信号依次经过预失真滤波器、第二电吸收调制器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线后进入平衡接收机；
由第一路径和第二路径的输出的两路信号在光平衡接收机中进行光电信号的减法操作，实现自干扰信号的消除；
还包括预失真滤波器，所述预失真滤波器设置在第二路径中第二电吸收调制器EML2的前级位置，用于对基带信号进行幅度频响预失真，补偿自干扰信号无线传输信道的幅度响应不平坦，使自干扰信号能够宽带消除；
第一电吸收调制器EML1中调制的是接收天线收到的自干扰信号VSI(t)和对方发送来的有用信号VSOI(t)之和，第二电吸收调制器EML2中调制的是复制的发送信号Vt(t)；则两个EML的输出光功率I1和I2分别表示为：
I1＝I10Tv(Vb+VSOI(t)+VSI(t)). (1)
I2＝I20Tv(Vb+Vt(t)). (2)
式中：Tv为EML的吸收函数，即调制函数，I10与I20为两个EML的初始光功率，Vb为EML的最佳偏置电压点；
将式(1)与式(2)展开，得到
I1＝I10Tv(Vb+VSOI(t)+AVst(t)*h(t))
＝I10Tv(Vb+VSOI(t))+I10Tv(Vb+AVst(t)*h(t)). (3)
I2＝I20Tv(Vb+A'Vst(t)*h'(t)). (4)
式中：Vst(t)表示天线发送的信号，A与A'表示信号在传输过程中的幅度变化系数，h(t)表示从发射天线到本地接收天线之间无线信道的冲激响应，h'(t)表示预失真滤波器的冲激响应；经过自干扰消除系统后，平衡光电探测器后端获取的电信号Vsr(t)表示为：
Figure FDA0002163761570000021
当满足下述条件
α1I10ATv(Vb+Vst(t)*h(t))＝α2I20A'Tv(Vb+Vst(t-τ)*h'(t)), (6)
即
α1I10A＝α2I20A', (7)
St(ω)H(ω)＝St(ω)ejωτH'(ω), (8)
H'(ω)＝H(ω)e-jωτ, (9)
公式(5)即化简为
Figure FDA0002163761570000023
式中：α1表示路径1的光功率衰减值，α2表示路径2的光功率衰减值，*表示卷积运算，St(ω)表示自干扰信号的傅里叶运算，H'(ω)表示补偿后的补偿信号传输信道频率响应，ω表示信道频率响应自变量角频率，
Figure FDA0002163761570000022
表示光电探测器响应常数，τ表示路径2上的可调光延时线控制时延；
公式(10)所表示的是自干扰信号完全消除，仅剩下所需的信号VSOI(t)；而满足公式(10)所需的条件是公式(7)和(9)；公式(7)可通过调节自干扰消除系统中路径2上的可调光衰减器来实现；公式(9)则需探测无线信道的频率响应H(ω)，并通过调节路径2上的可调光延时线控制时延τ，以及修改预失真滤波器参数令其可补偿无线信道的频响H(ω)。
2.根据权利要求1所述的带内全双工无线通信系统，其特征在于，所述第一通信单元包括：发射天线、接收天线、混频器以及宽带光学自干扰消除系统，基带发送信号分成两路，其中一路信号通过混频器后由发射天线发出，另一路信号和接收天线接收的基带发送信号一同进入宽带光学自干扰消除系统进行减法处理，得到基带接收信号。
3.根据权利要求1所述的带内全双工无线通信系统，其特征在于，所述第二通信单元包括：发射天线、接收天线、第一混频器、低通滤波器、第二混频器以及宽带光学自干扰消除系统，基带发送信号分成两路，其中一路信号通过第一混频器后由发射天线发出，另一路信号和接收天线接收的基带发送信号一同进入宽带光学自干扰消除系统进行减法处理后再依次通过第二混频器、低通滤波器，输出基带接收信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的带内全双工无线通信系统，其特征在于，接收天线接收的信号包括：同一通信单元中发射天线发送的自干扰信号和对方通信单元发射天线发出的有用信号。
5.一种基于无线信道频响补偿的宽带光学自干扰消除系统，其特征在于，包括：电吸收调制器、可调光衰减器、可调光延时线、平衡接收机以及预失真滤波器；具体地，以两个电吸收调制器为基础构建两条光支路，分别记为第一路径和第二路径，其中：所述第一路径中仅包括第一电吸收调制器EML1；接收天线将接收到的基带发送信号经过第一电吸收调制器EML1后进入平衡接收机；第二路径中依次包括：第二电吸收调制器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线，基带发送信号中的另一路信号依次经过预失真滤波器、第二电吸收调制器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线后进入平衡接收机；且第一路径和第二路径的输出信号在光平衡接收机中进行光电信号的减法操作，实现自干扰信号的消除；
还包括预失真滤波器，所述预失真滤波器设置在第二路径中第二电吸收调制器EML2的前级位置，用于对基带信号进行幅度频响预失真，补偿自干扰信号无线传输信道的幅度响应不平坦，使自干扰信号能够宽带消除；
第一电吸收调制器EML1中调制的是接收天线收到的自干扰信号VSI(t)和对方发送来的有用信号VSOI(t)之和，第二电吸收调制器EML2中调制的是复制的发送信号Vt(t)；则两个EML的输出光功率I1和I2分别表示为：
I1＝I10Tv(Vb+VSOI(t)+VSI(t)). (1)
I2＝I20Tv(Vb+Vt(t)). (2)
式中：Tv为EML的吸收函数，即调制函数，I10与I20为两个EML的初始光功率，Vb为EML的最佳偏置电压点；
将式(1)与式(2)展开，得到
I1＝I10Tv(Vb+VSOI(t)+AVst(t)*h(t))
＝I10Tv(Vb+VSOI(t))+I10Tv(Vb+AVst(t)*h(t)). (3)
I2＝I20Tv(Vb+A'Vst(t)*h'(t)). (4)
式中：Vst(t)表示天线发送的信号，A与A'表示信号在传输过程中的幅度变化系数，h(t)表示从发射天线到本地接收天线之间无线信道的冲激响应，h'(t)表示预失真滤波器的冲激响应；经过自干扰消除系统后，平衡光电探测器后端获取的电信号Vsr(t)表示为：
Figure FDA0002163761570000041
当满足下述条件
α1I10ATv(Vb+Vst(t)*h(t))＝α2I20A'Tv(Vb+Vst(t-τ)*h'(t)), (6)
即
α1I10A＝α2I20A', (7)
St(ω)H(ω)＝St(ω)ejωτH'(ω), (8)
H'(ω)＝H(ω)e-jωτ, (9)
公式(5)即化简为
Figure FDA0002163761570000043
式中：α1表示路径1的光功率衰减值，α2表示路径2的光功率衰减值，*表示卷积运算，St(ω)表示自干扰信号的傅里叶运算，H'(ω)表示补偿后的补偿信号传输信道频率响应，ω表示信道频率响应自变量角频率，
Figure FDA0002163761570000042
表示光电探测器响应常数，τ表示路径2上的可调光延时线控制时延；
公式(10)所表示的是自干扰信号完全消除，仅剩下所需的信号VSOI(t)；而满足公式(10)所需的条件是公式(7)和(9)；公式(7)可通过调节自干扰消除系统中路径2上的可调光衰减器来实现；公式(9)则需探测无线信道的频率响应H(ω)，并通过调节路径2上的可调光延时线控制时延τ，以及修改预失真滤波器参数令其可补偿无线信道的频响H(ω)。
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