CN107171997B - 一种全双工通信的数字域自干扰消除方法及一种基站 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全双工通信的数字域自干扰消除方法及一种基站，用于解决现有技术对协议设计以及流程控制的匮乏问题。所述全双工通信的数字域自干扰消除方法包括：基站与移动设备发送同频信号；在下行信号的一个预留位置插入预先设定的训练序列；所述预留位置与所述移动设备发送的上行信号中没有发送信号的空闲位置相对应；根据预先设定的训练序列和接收到的本地发送的下行信号中插入的训练序列估计出自干扰信道；根据估计出的自干扰信道与本地发送的下行信号，重构出自干扰信号；从接收的上行信号减去所述自干扰信号，得到远端有用信号。上述方案中，以较少的系统开销代价实现了全双工通信，解决了全双工通信过程中自干扰消除的流程控制问题。

Description

一种全双工通信的数字域自干扰消除方法及一种基站
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是指一种全双工通信的数字域自干扰消除方法及一种基站。
背景技术
近年来移动通信领域高速发展，与通信相关的科学与技术日新月异，通信速度与质量迅猛提升，同时各个行业对通信业务的要求也越来越高，移动通信数据量呈指数级增长。但是频谱资源濒临匮乏，要想提升通信系统的吞吐量，不得不提高通信系统的频谱利用率。
全双工通信技术是一种新的通信技术，它能够实现同频同时收发信号，将频谱利用率提升了一倍，使系统容量倍增。然而要想实现全双工通信，不得不面临一个巨大的挑战——自干扰问题。主流的自干扰消除技术，可以分为模拟域自干扰消除技术和数字域自干扰消除技术。现有的技术，大多只描述了自干扰消除方案的架构问题，但是对协议设计以及流程控制的描述还比较匮乏。
发明内容
本发明提供一种全双工通信的数字域自干扰消除方法，该方法基于TS36.211协议提出了数字域的自干扰消除方法，主要解决在全双工通信过程中自干扰消除的流程控制问题，从而实现多天线全双工通信，本发明提出的物理层协议修改方法，弥补了现有的技术在协议设计方面的不足。
本发明提供的一种全双工通信的数字域自干扰消除方法，包括：
基站与移动设备发送同频信号；
在下行信号的一个预留位置插入预先设定的训练序列；所述预留位置与所述移动设备发送的上行信号中没有发送信号的空闲位置相对应；
根据所述预先设定的训练序列和接收到的本地发送的下行信号中插入的训练序列估计出自干扰信道；
根据估计出的自干扰信道与本地发送的下行信号，重构出自干扰信号；
从接收的上行信号减去所述自干扰信号，得到远端有用信号。
其中，所述预留位置为TS36.211协议中第1号下行子帧的最后一个OFDM符号位置。
其中，当所述全双工通信的多天线数字域自干扰消除方法用于双天线系统中时，所述在下行帧的一个预留位置插入预先设定的训练序列，包括：
从时域上在下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列，且在每个预留位置，从频域上连续地插入第一根收发天线或第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时发送所述下行信号。
其中，当所述全双工通信的多天线数字域自干扰消除方法用于双天线系统中时，所述在下行帧的一个预留位置插入预先设定的训练序列，包括：
在每帧下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时发送所述下行信号。
本发明还提供一种基站，包括：
第一基带处理模块，用于对待发送的信号进行基带处理，在下行信号的一个预留位置插入预先设定的训练序列，得到下行数字信号并输出；所述预留位置与所述移动设备发来的上行信号中没有发送信号的空闲位置相对应；
数模转换器，用于对所述第一基带处理模块输出的下行数字信号进行数模转换，得到下行模拟信号；
收发天线，用于给目标移动设备发送所述数模转换器输出的下行模拟信号，还用于同频接收自干扰信号与远端移动设备发送的上行模拟信号；
模拟域自干扰消除模块，用于根据所述数模转换器输出的下行模拟信号，对所述收发天线接收的自干扰信号和上行模拟信号进行模拟域自干扰消除；
模数转换器，用于对所述模拟域自干扰消除模块输出的自干扰信号和上行模拟信号进行模数转换；
信道估计模块，用于根据模数转换器输出的自干扰信号中的训练序列以及所述第一基带处理模块用于插入的训练序列，估计出自干扰信道；
重构模块，用于根据所述信道估计模块估计出的自干扰信道与所述第一基带处理模块输出的下行数字信号，重构出自干扰信号；
数字域自干扰消除模块，用于从所述模数转换器输出的上行数字信号中减去所述重构模块得到的自干扰信号，得到远端有用信号；
第二基带处理模块，用于对所述数字域自干扰消除模块输出的远端有用信号进行基带处理后输出。
上述基站中，所述收发天线包括发射天线与接收天线，所述发射天线与接收天线通过环形器实现收发隔离。
其中，所述基站包括两根收发天线；当所述基站基于TS36.211协议收发信号时；
所述第一基带处理模块，具体用于从时域上在下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列，且在每个预留位置，从频域上连续地插入第一根收发天线或第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时给目标移动设备发送所述下行信号。
其中，所述基站包括两根收发天线；当所述基站基于TS36.211协议收发信号时；
所述第一基带处理模块，具体用于在每帧下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时给目标移动设备发送所述下行信号。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，利用了上行帧中没有发送信号的空闲位置，在下行帧的对应位置中通过修改了一个OFDM符号的内容，将原来的业务数据变为训练序列，以较少的系统开销代价实现了全双工通信，解决了全双工通信过程中自干扰消除的流程控制问题，弥补了现有的技术在协议设计方面的不足。此外，可以根据信道特性的变化快慢来选择不同的训练序列插入方式，以保证信道估计的准确性。
附图说明
图1为本发明的一种全双工通信的数字域自干扰消除方法流程图；
图2为TS36.211上下行帧结构示意图；
图3为双天线连续插入训练序列示意图；
图4为双天线连续插入训练序列发送流程示意图；
图5为双天线交错插入训练序列示意图；
图6为双天线交错插入训练序列发送流程示意图；
图7为本发明的一种用于全双工通信的基站组成结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1为本发明的一种全双工通信的数字域自干扰消除方法流程图，该方法用于全双工通信系统中的基站，如图1中所示，该方法包括如下步骤S101-S105：
S101：基站与移动设备发送同频信号。
此步骤中，基站发送的下行信号与远端移动设备发送的上行信号同频率。
S102：在下行信号的一个预留位置插入预先设定的训练序列；所述预留位置与所述移动设备发送的上行信号中没有发送信号的空闲位置相对应。
此步骤中，可以根据全双工通信使用的数据传输协议，选择该协议上行帧结构中的一个空闲时段，在下行帧的对应位置插入训练序列。
S103：根据预先设定的训练序列和接收到的本地发送的下行信号中插入的训练序列估计出自干扰信道。
其中，自干扰信道估计时，一个自干扰信道只能有一个信号传输，其他信号会造成干扰。另外，基站需要一个信道估计周期，该期间内进行自干扰信道估计，未估计出自干扰信道前，远端发送的数据不能解调出。
S104：根据估计出的自干扰信道与本地发送的下行信号，重构出自干扰信号。
此步骤根据估计出的自干扰信道和本地发送的下行信号(即参考信号)能重构出自干扰信号。
S105：从接收的上行信号减去所述自干扰信号，得到远端有用信号。
上述方案中，选择通信协议上行帧结构中的一个空闲时段，在下行帧的对应位置插入训练序列，用来进行自干扰信道估计。该方法在整个协议中只修改了一个符号用于自干扰消除，因此整个通信系统的吞吐量牺牲较少。
图2所示为TS36.211上下行帧结构示意图，如图2中所示，TS36.211上下行帧结构是同步对齐的，唯一不同的是上行帧的第1号子帧(图中所示的子帧#1)是特殊子帧，用于上行随机接入信道(PRACH)的传输，但是随机接入信号的长度小于一个子帧的长度，所以在上行帧的第1号子帧的尾部有一个空闲，并且该空闲长度大于一个OFDM符号长度。因此，在一个可选实施例中，如图2所示，可以在下行帧的对应位置插入训练序列，即以TS36.211协议中第1号下行子帧的最后一个OFDM符号位置作为所述预留位置，实现本发明的自干扰信道估计。本实施例中，利用了TS36.211协议上行帧结构中的一个空闲时段，在下行帧的对应位置插入训练序列，用来进行自干扰信道估计。在整个协议中只修改了一个OFDM符号，用于自干扰消除，因此整个通信系统的吞吐量牺牲较少，且对协议TS36.211进行的修改，有现实应用的基础，能够在现有的网络中快速的部署，并且实现的成本较低。
全双工通信中，当天线数量变成多个以后(比如说MIMO系统)，不同天线间的自干扰问题变得十分复杂。本发明对多天线自干扰消除方案的流程控制进行了设计，用于解决多个天线之间自干扰信道估计问题，以下进行具体说明。
不同的训练序列插入方式，会有不同的效果。比如，连续插入训练序列方式，在多天线自干扰信道估计中，估计周期较长，但是实现简单；交错插入训练序列方式，在多天线自干扰信道估计中，估计周期较短，但是需要结合插值算法，复杂度比前者高，且会引入误差。不同的训练序列插入方式，需要不同的控制流程。下面说明当本发明提供的全双工通信的多天线数字域自干扰消除方法用于双天线系统中时，在下行帧的一个预留位置插入预先设定的训练序列的方法。
图3为双天线连续插入训练序列示意图，图4为双天线连续插入训练序列发送流程示意图。双天线连续插入训练序列的方法为：(1)如图3所示，从时域上在下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置(图中所示的l＝13位置)交替地插入第一根收发天线(图中以“天线0”表示)的训练序列和第二根收发天线(图中以“天线1”表示)的训练序列，并图4中所示，在每个预留位置，从频域上连续地插入第一根收发天线(天线0)或第二根收发天线(天线1)的训练序列；(2)第一根收发天线(天线0)和第二根收发天线(天线1)同时发送所述下行信号。例如，在下行信号的奇数帧的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置插入第一根收发天线(天线0)的训练序列，并在下行信号的偶数帧的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置交替地插入第二根收发天线(天线1)的训练序列，在每个插入位置(预留位置)，如图4所示，从频域上连续地插入相应收发天线的训练序列后，两根收发天线同时发送插入了训练序列后的下行信号，从而保证相同时间内只发送一根天线训练序列。则基站自身根据接收的训练序列和参考信号估计出自干扰信道(1200个子载波位置的信道)。
图5为双天线交错插入训练序列示意图，图6为双天线交错插入训练序列发送流程示意图。双天线交错插入训练序列的方法为：(1)如图5所示，在每帧下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上交替地插入第一根收发天线(图中以“天线0”表示)的训练序列和第二根收发天线(图中以“天线1”表示)的训练序列；(2)第一根收发天线和第二根收发天线同时发送所述下行信号。本实施例中，训练序列交错地插入在第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，即相同子载波位置只有一根天线的训练序列。天线0和天线1同时发送训练序列，基站根据接收的训练序列和参考信号估计出信道(600个子载波位置的信道)，信道估计时，仅插入训练信号的子载波位置信道才能被估计出，剩余位置的信道利用插值算法得到。
本发明提供的上述全双工通信的数字域自干扰消除方法，可以根据信道特性来选择不同的训练序列插入方式。信道不稳定时可以采用交错插入训练序列方式，以减少估计时间，跟踪信道变化；信道较稳定时可以采用连续插入方式，以减少估计误差，保证信道估计的准确性。
对应于本发明实施例提供的全双工通信的数字域自干扰消除方法，本发明实施例还提供一种用于实现该方法的基站，如图7所示，该基站包括第一基带处理模块71、数模转换器72、收发天线73、模拟域自干扰消除模块74、模数转换器75、数字域自干扰消除模块76、第二基带处理模块77；其中，数字域自干扰消除模块76具体包括信道估计模块761、重构模块762、自干扰消除模块763。如图7所示，第一基带处理模块71与数模转换器72、信道估计模块761、重构模块762连接，数模转换器72还与收发天线73、模拟域自干扰消除模块74连接，模拟域自干扰消除模块74还与模数转换器75连接，模数转换器75还与信道估计模块761、自干扰消除模块763连接，信道估计模块761还与重构模块762连接，重构模块762还与自干扰消除模块763连接，自干扰消除模块763还与第二基带处理模块77连接。
图7中，第一基带处理模块71，用于对待发送的信号进行基带处理，在下行信号的一个预留位置插入预先设定的训练序列，得到下行数字信号并输出；预留位置与移动设备发来的上行信号中没有发送信号的空闲位置相对应；
数模转换器72，用于对第一基带处理模块71输出的下行数字信号进行数模转换，得到下行模拟信号；
收发天线73，用于给目标移动设备发送数模转换器72输出的下行模拟信号，还用于同频接收自干扰信号与远端移动设备发送的上行模拟信号；
模拟域自干扰消除模块74，用于根据数模转换器72输出的下行模拟信号，对收发天线73接收的自干扰信号和上行模拟信号进行模拟域自干扰消除，得到消除模拟域自干扰后的自干扰信号和上行模拟信号；接收信号需要经过模拟消除，使信号幅值在模数转换器75的动态范围内，才能进行模数转换，避免引入过多量化噪声；
模数转换器75，用于对模拟域自干扰消除模块74输出的自干扰信号和上行模拟信号进行模数转换；
信道估计模块761，用于根据模数转换器75输出的自干扰信号中的训练序列以及第一基带处理模块71用于插入的训练序列，估计出自干扰信道；
重构模块762，用于根据信道估计模块761估计出的自干扰信道与第一基带处理模块71输出的下行数字信号，重构出自干扰信号；
自干扰消除模块763，用于从模数转换器75输出的上行数字信号中减去重构模块762得到的自干扰信号，得到远端有用信号；
第二基带处理模块77，用于对自干扰消除模块763输出的远端有用信号进行基带处理后输出。
优选地，收发天线73包括发射天线与接收天线，且发射天线与接收天线通过环形器实现收发隔离。但是环形器隔离的不彻底，会有信号从发射链路泄露到接收链路造成自干扰，自干扰信号来源于自身发送的信号和本地其他N-1天线的信号，自干扰总数为N*N。
在一个可选实施例中，该基站包括两根收发天线，若该基站基于TS36.211协议收发信号时，第一基带处理模块71，具体用于从时域上在下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列，且在每个预留位置，从频域上连续地插入第一根收发天线或第二根收发天线的训练序列；例如，在下行信号的奇数帧的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上连续地插入第一根收发天线的训练序列，并在下行信号的偶数帧的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上连续地插入第二根收发天线的训练序列，随后第一根收发天线和第二根收发天线同时给目标移动设备发送所述下行信号。
在一个可选实施例中，该基站包括两根收发天线，若该基站基于TS36.211协议收发信号时，第一基带处理模块71，具体用于在每帧下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列；随后第一根收发天线和第二根收发天线同时给目标移动设备发送所述下行信号。
本发明对全双工通信的协议进行了具体的设计，包括帧结构、资源网络中训练序列的排列结构、全双工控制流程和基带数据处理流程，弥补了现有的全双工技术在协议设计上的不足。能够从广泛应用的TS36.211协议进行简单修改得到通信协议，具有实用性强的特点。由于利用了上行帧中的空闲，在下行帧中只修改了一个OFDM符号的内容，将原来的业务数据变为训练序列，以较少的系统开销代价实现了全双工通信。此外，还可以根据信道特性的变化快慢来选择不同的训练序列插入方式，信道不稳定时可以采用交错插入训练序列方式，其估计周期短能够跟踪信道变化；信道较稳定时可以采用连续插入方式，以保证信道估计的准确性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全双工通信的数字域自干扰消除方法，其特征在于，包括：
基站与移动设备发送同频信号；
在下行信号的一个预留位置插入预先设定的训练序列；所述预留位置与所述移动设备发送的上行信号中没有发送信号的空闲位置相对应；
根据所述预先设定的训练序列和接收到的本地发送的下行信号中插入的训练序列估计出自干扰信道；
根据估计出的自干扰信道与本地发送的下行信号，重构出自干扰信号；
从接收的上行信号减去所述自干扰信号，得到远端有用信号。
2.如权利要求1所述的全双工通信的数字域自干扰消除方法，其特征在于，所述预留位置为TS36.211协议中第1号下行子帧的最后一个OFDM符号位置。
3.如权利要求2所述的全双工通信的数字域自干扰消除方法，其特征在于，当所述全双工通信的多天线数字域自干扰消除方法用于双天线系统中时，所述在下行帧的一个预留位置插入预先设定的训练序列，包括：
从时域上在下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列，且在每个预留位置，从频域上连续地插入第一根收发天线或第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时发送所述下行信号。
4.如权利要求2所述的全双工通信的数字域自干扰消除方法，其特征在于，当所述全双工通信的多天线数字域自干扰消除方法用于双天线系统中时，所述在下行帧的一个预留位置插入预先设定的训练序列，包括：
在每帧下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时发送所述下行信号。
5.一种基站，其特征在于，包括：
第一基带处理模块，用于对待发送的信号进行基带处理，在下行信号的一个预留位置插入预先设定的训练序列，得到下行数字信号并输出；所述预留位置与移动设备发来的上行信号中没有发送信号的空闲位置相对应；
数模转换器，用于对所述第一基带处理模块输出的下行数字信号进行数模转换，得到下行模拟信号；
收发天线，用于给目标移动设备发送所述数模转换器输出的下行模拟信号，还用于同频接收自干扰信号与远端移动设备发送的上行模拟信号；
模拟域自干扰消除模块，用于根据所述数模转换器输出的下行模拟信号，对所述收发天线接收的自干扰信号和上行模拟信号进行模拟域自干扰消除；
模数转换器，用于对所述模拟域自干扰消除模块输出的自干扰信号和上行模拟信号进行模数转换；
信道估计模块，用于根据模数转换器输出的自干扰信号中的训练序列以及所述第一基带处理模块用于插入的训练序列，估计出自干扰信道；
重构模块，用于根据所述信道估计模块估计出的自干扰信道与所述第一基带处理模块输出的下行数字信号，重构出自干扰信号；
数字域自干扰消除模块，用于从所述模数转换器输出的上行数字信号中减去所述重构模块得到的自干扰信号，得到远端有用信号；
第二基带处理模块，用于对所述数字域自干扰消除模块输出的远端有用信号进行基带处理后输出。
6.如权利要求5所述的一种基站，其特征在于，所述收发天线包括发射天线与接收天线，所述发射天线与接收天线通过环形器实现收发隔离。
7.如权利要求5所述的一种基站，其特征在于，所述基站包括两根收发天线；当所述基站基于TS36.211协议收发信号时；
所述第一基带处理模块，具体用于从时域上在下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列，且在每个预留位置，从频域上连续地插入第一根收发天线或第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时给目标移动设备发送所述下行信号。
8.如权利要求5所述的一种基站，其特征在于，所述基站包括两根收发天线；当所述基站基于TS36.211协议收发信号时；
所述第一基带处理模块，具体用于在每帧下行信号的第1号下行子帧的第13号OFDM符号位置，从频域上交替地插入第一根收发天线的训练序列和第二根收发天线的训练序列；
第一根收发天线和第二根收发天线同时给目标移动设备发送所述下行信号。
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