CN108028676A - 用于全双工mimo无线电传输和接收方法的全双工mimo无线电单元及方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种全双工多输入多输出无线电单元。它包括传输单元、天线单元、接收单元、环行器单元和功率降低单元。所述传输单元生成第一信号。所述环行器单元向所述天线单元的每个单独的天线提供来自所述传输单元的所述第一信号中的一个。每个天线传输所述第一信号中的一个并同时接收第二信号中的一个。多个环行器中的每一个向功率降低单元提供多个第三信号中的一个。每个所述第三信号包括所述第二信号中的一个和由天线单元和环行器单元产生的来自所述第一信号的干扰。多个功率降低器中的每一个通过将所述第三信号中的一个与信号分离因子相乘来减小第三信号中的一个的功率。

Description

用于全双工MIMO无线电传输和接收方法的全双工MIMO无线电 单元及方法

技术领域

本发明涉及使用MIMO和全双工的无线电单元以及传输和接收方法。

背景技术

为了满足移动设备中流行的多媒体应用导致的不断增长的容量需求，已经提出了许多方法来提高现代无线系统的系统吞吐量。最有前景的方法之一是全双工(FD)无线电，因为它能够同时在相同的频带上传输和接收信号。相比之下，半双工(HD)无线收发器节点不能实现同时双向带内通信。全双工能力是有利的特征，其可以有助于减小通信链路的带宽占用，同时保持总体上所得到的传输速率不变。事实上，理论上，通过这种方法，与半双工无线电相比，双频谱效率是可实现的。

在无线电设备家族中最具吸引力和挑战性的解决方案是所谓的带内单天线FD实施方案。在这种情况下，所述设备不仅可以在同一频带上同时传输和接收也可通过单天线同时传输和接收。这能够积极地影响设备的成本，从而不需要两个或者更多分开的电路和天线去实现FD通信。为FD无线电引入多个天线却有望成为日益增长的容量需求的解决方案。因此，现代无线通信研究中最具挑战性的研究前沿之一是设计实现有效的FD多输入多输出(MIMO)通信的体系结构和解决方案。

然而，由于实际硬件架构的局限性，一个非常严重的问题影响着带内FD，即，所谓的自干扰(SI)。在实践中，SI是从设备的传输(TX)链路到接收(RX)链路泄漏的传输信号的累积。如果不加管理，所述SI能够不可逆转地损害无线电设备的性能。这是由于与输入信号的功率相比它的功率非常高，由于无线传播引起的衰减，SI以非常低的功率到达天线。因此，所需的信号因残余SI受到损害，并且总体的吞吐量降低。事实上，所得到的信干噪比(SINR)量是非常低的，所述信干噪比测量在所有可能的干扰强度上所需信号的强度。在这个背景下，除非SI在不能被取消的前提下能够被显著减少，否则正确的解码不能够被执行。

另一方面，随着全球变暖问题日益受到关注以及信息与通信技术(ICT)在全球碳足迹中所占比例的增加，对通信网络能源效率的兴趣在过去的十年里又重新燃起。世界ICT生态系统每年用电约1500TWh，相当于日本和德国的所有发电量的总和。ICT预计每年都会增加能源消耗，因为它通过新技术，如云计算、移动互联网、物联网以及智能手机、平板电脑和智能手表等新设备越来越多地渗透到人类活动的所有领域。为了减少ICT的碳足迹，提高有线和无线网络信息采集、处理和分配中的能源效率，已成为研究人员面临的主要挑战。通信系统已经占用了ICT使用的能源的25％左右。因此，希望设计有线和无线设备以获得最佳能源效率，而不牺牲服务质量或性能。

此外，对提高数据传输速率兴趣的日益增长，导致了对诸如MIMO的多天线解决方案的选择。其中，减少大的自干扰成为实现全双工通信优点的更具挑战性的问题。的确，在全双工MIMO设备中，自干扰表现为自对话和串扰，如图1所示。

这里描述了一个全双工多输入多输出无线电单元1。全双工MIMO无线电单元1包括传输单元2，环行器单元3，接收单元4，干扰消除单元5和天线单元6。传输单元2包括多个传输信道TX1、TX2和TX3，它们分别连接到环行器单元3的多个环行器的一个。环行器中每一个还连接到天线单元6的多个天线A₁、A₂、A₃中的一个。此外，环行器的每一个还连接到接收单元4的多个接收路径RX1、RX2，RX3中的一个。传输单元2和接收单元4各自连接到干扰消除单元5。

当执行传输时，传输单元2产生多个第一信号，用于每个天线A₁、A₂和A₃各一个，并将它们传送给环行器单元，其又将它们传送给天线A₁、A₂和A₃。所述信号由天线单元6传输。同时，使用相同频带和天线单元6的相同天线A₁、A₂、A₃，接收多个第二信号。所述多个第二信号由环行器单元3的环行器通过增加不需要的信号部分来修正，特别是通过增加来自所述多个第一信号产生的干扰。由此产生的多个第三信号被传送到接收单元4。

关于传输的信号的信息从传输单元传输到干扰消除单元5，该干扰消除单元5生成多个干扰消除信号，该多个干扰消除信号被传送到接收单元4以减少由所传输的第一信号造成的干扰。增加到接收的第二信号上的干扰包括自对话ST和串扰CT。

所述自对话ST是由于环行器端口A和B之间的不完全隔离以及反弹回同一天线的反射而造成的。所述串扰是由于邻近的传输器造成的。由自对话和串扰组成的自干扰可能远大于来自远端节点的感兴趣信号，因此，为了使全双工通信成为可能，自干扰必须减少几个数量级。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种全双工MIMO无线电单元以及相应的传输和接收方法，其允许有效的频谱使用和低能量消耗。

该目的通过装置权利要求1的和方法权利要求13的特征解决。从属权利要求包含进一步发展。

根据本发明的第一方面，提供了一种全双工多输入多输出MIMO无线电单元。它包括传输单元、包括多个天线的天线单元、接收单元、包括多个环行器的环行器单元以及包括多个功率降低器的功率降低单元。所述传输单元适于生成多个第一信号。所述环行器单元适于向天线单元的每个单独的天线提供来自传输单元的多个第一信号中的一个。所述天线单元的每个天线适于传输多个第一信号中的一个并同时接收多个第二信号中的一个。所述环行器单元的每个环行器适于将多个第三信号中的一个提供给功率降低单元。所述多个第三信号中的每一个包括所述多个第二信号中的一个以及由所述天线单元和所述环行器单元产生的来自所述多个第一信号的干扰。所述功率降低单元的每个所述功率降低器适于通过将所述多个第三信号中的一个与信号分离因子√ρ_i相乘来降低多个第三信号中的一个的功率，其中i是天线号，并且ρ_i在0和1之间，由此产生多个第四信号。所述接收单元适于接收多个第四信号。

所述多个第二信号可以由所述天线单元的所述多个天线使用与第一信号相同的频率或频带来接收。

通过降低提供给所述接收单元的信号的功率，可以提高接收信号质量。

根据第一方面的第一实现形式，所述全双工MIMO无线电单元包括干扰消除单元，适于生成多个干扰消除信号——针对天线单元的每个天线，一个干扰消除信号——并且提供所述多个干扰取消信号给所述接收单元。所述接收单元适于通过将所述多个干扰消除信号中的一个添加到所述多个第四信号中的每一个或者添加到由接收单元从所述多个第四信号获取的多个中间信号中的每一个，来消除所述干扰的至少一部分。由此可以进一步提高接收信号质量。

根据第一方面的第二可能实现形式或者根据第一方面的第一实现形式，功率降低单元适于依据以下功率降低影响因子中的一个或多个来确定和设置信号分离因子√ρ_i：

-多个第一信号的单独传输功率P_TXi，

-多个自干扰指示符SIM(i，j)，其中SIM(i，i)是所述天线单元的所述多个天线中的天线i和天线j之间的自干扰，

-所述多个自干扰指示符SIM(i，j)的准确度，

-可实现的模拟和数字干扰消除量，

-平均噪声水平。

由此即使只有部分信息可用，也可以实现接收质量增益。

在根据第一方面的第二实现形式的无线电单元的第三可能实现形式中，所述全双工MIMO无线电单元适于通过测量传输信道条件和/或通过模拟所述天线单元的所述多个天线之间的天线耦合来确定自干扰指示符SIM。由此可以特别准确地确定功率降低因子。

根据第一方面的第二或第三实现形式的无线电单元的第四可能实现形式，所述功率降低单元适于通过使用以下公式确定所述天线单元的所述多个天线中的每个天线处的总接收自干扰功率PSI_RXi

PSI_RXi＝∑^N _j＝1(P_TXj-SIM(i，j))，

其中i是所述天线单元的所述多个天线中的所考虑的天线的索引，

其中j是所述天线单元的所述多个天线中的干扰天线的索引，以及

其中N是所述天线单元的所述多个天线的总数。由此可以进一步提高接收质量。

根据第一方面的第四可能实现形式的无线电单元的第五可能实现形式，功率降低单元适于将信号分离因子√ρ_i确定为

ρ_i＝P_THi/PSI_RXi，

其中P_THi是单独天线i的可实现的模拟和数字干扰消除的量与平均噪声水平之和。通过这个措施，也可以实现接收质量的进一步提高。

根据第一方面的第二实现形式的所述无线电单元的第六种可能的实现形式，所述功率降低单元适用于确定所述不同功率降低影响因子的可用性，并基于所述不同功率降低影响因子的可用性确定如何确定信号分离因子√ρ_i。即使在非最优传输条件下，特别是当仅有关于传输条件的部分信息可用时，由此可以实现接收质量的提高。

根据第一方面本身的无线电单元的第七种可能的实现形式或者根据第一方面的第一至第六种实现形式，所述功率降低单元包括多个信号分离器，适于将所述多个第三信号的每一个分离成所述多个第四信号和多个第五信号。所述多个信号分离器还适于分离所述多个第三信号，使得所述多个第四信号中的每一个是乘以了√ρ_i的所述多个第三信号中的相应的一个，并且所述第五信号中的每一个是乘以了√(1-ρ_i)的所述多个第三信号中的相应的一个。由此可以将由功率降低单元去除的所述第三信号部分的信号能量很好地利用。

根据第一方面的第七实现形式的无线电单元的第八可能实现形式，所述功率降低单元包括能量采收单元，其适于采收所述多个第五信号的至少部分能量。由此可以不浪费所述第五信号的能量。

根据第一方面的第八种实现形式的无线电单元的第九种可能的实现形式，所述能量采收单元适于使用所述多个第五信号的所述采收能量至少部分地为所述全双工MIMO无线电单元供电。由此可以实现全双工MIMO无线电单元的所消耗的外部功率的减少。

根据第一方面的第九种实现形式的无线电单元的第十种可能的实现形式，所述全双工MIMO无线电单元包括电池。然后所述能量采收单元适于使用所述多个第五信号的所述采收能量对电池充电。由此可以实现特别有效的能量再利用。

根据第一方面本身的无线电单元的第十一种可能实现形式或者根据第一方面的第一至第十种实现形式中的任一个，所述全双工MIMO无线电单元包括数量为N的信道。所述天线单元则包括N个天线。所述环行器单元则包括N个环行器。所述功率降低单元则包括N个功率降低器。N是≥2的自然数。特别地，N可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。任何其它数量的N也是可能的。

根据本发明的第二方面，提供了一种全双工MIMO无线电传输和接收方法。所述方法包括由传输单元生成多个第一信号，通过环行器单元的多个环行器中的单独环行器向天线单元的多个天线中的单独天线中的每一个提供多个第一信号中的一个。此外，该方法包括通过所述天线单元传输所述多个第一信号，同时通过所述天线单元的所述多个天线接收多个第二信号，并由环行器单元提供多个第三信号，其中所述多个第三信号的每一个包括所述多个第二信号和干扰，所述干扰由所述多个天线中的一个和所述多个环行器中的一个产生，来自所述多个第一信号中的一个。所述方法进一步包括通过功率降低单元将所述第三信号的每一个乘以信号分离因子√ρ_i，其中ρ在0和1之间，来降低第三信号的每一个的功率，从而生成多个第四信号。该方法最终包括由接收单元接收所述多个第四信号。由此可以实现低能耗和高接收质量。

所述多个第二信号可以由所述天线单元的所述多个天线使用与所述第一信号相同的频率或频带来接收。

根据第二方面的无线电传输和接收方法的第一可能实现形式，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法包括：生成多个干扰消除信号，每个用于所述天线单元的每个天线，以及通过将所述多个干扰消除信号中的一个添加到多个第四信号中的每一个或从所述多个第四信号中获取的多个中间信号的每一个，来消除所述干扰的至少一部分。由此可以进一步提高接收信号质量。

根据第二方面本身的无线电传输和接收方法的第二种可能的实现形式，或者根据第二方面的第一种实现形式，所述方法包括依据以下中的一个或多个功率降低影响因子来确定和设置信号分离因子√ρ_i：

-多个第一信号的单独传输功率P_TXi，

-多个自干扰指示符SIM(i，j)，其中SIM(i，i)是所述天线单元的所述多个天线中的天线i和天线j之间的自干扰，

-所述多个自干扰指示符SIM(i，j)的准确度，

-可实现的模拟和数字干扰消除量，

-平均噪声水平。

由此即使只有部分信息可用，也可以实现接收质量增益。

在根据第二方面的第二实现形式的无线电传输和接收方法的第三可能实现形式，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法包括通过测量传输信道条件和/或通过模拟所述天线单元的所述多个天线之间的天线耦合来确定自干扰指示符。由此可以特别准确地确定功率降低因子。

根据第二方面的第二或第三实现形式的无线电传输和接收方法的第四可能实现形式，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法包括通过以下公式确定所述天线单元的所述多个天线中的每个天线处的总接收自干扰功率PSI_RXi

PSI_RXi＝∑^N _j＝1(P_TXj-SIM(i，j))，

其中i是所述天线单元的所述多个天线中的所考虑的天线的索引，

其中j是所述天线单元的所述多个天线中的干扰天线的索引，

其中N是所述天线单元的所述多个天线的总数。由此可以进一步提高接收质量。

根据第二方面的第四可能实现形式的无线电传输和接收方法的第五可能实现形式，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法包括如下确定信号分离因子√ρ_i：

ρ_i＝P_THi/PSI_RXi，

其中P_THi是单独天线i的可实现的模拟和数字干扰消除的量与平均噪声水平之和。通过这个措施，可以实现接收质量的进一步提高。

根据第二方面的第二实现形式的无线电传输和接收方法的第六种可能的实现形式，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法包括确定所述不同功率降低影响因子的可用性，并基于所述不同功率降低影响因子的可用性确定如何确定信号分离因子√ρ_i。即使在非最优传输条件下，特别是当仅有关于传输条件的部分信息可用时，由此可以实现接收质量的提高。

根据第二方面本身的无线电传输和接收方法的第七种可能的实现形式，或者根据第二方面的第一至第六种实现形式中的任一个，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法包括将所述多个第三信号的每一个分离成所述多个第四信号和多个第五信号。执行所述分离以使得所述多个第四信号是乘以了√ρ_i的所述多个第三信号中的相应的一个，并且所述多个第五信号是乘以了√(1-ρ_i)的所述多个第三信号中的相应的一个。由此可以将由功率降低单元去除的所述第三信号部分的信号能量很好地利用。

根据前述实现形式的无线电传输和接收方法的第八可能的实现形式，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法包括通过能量采收单元采收所述多个第五信号的至少部分能量。由此可以不浪费所述第五信号的能量。

根据前述实现形式的无线电传输和接收方法的第九种可能的实现形式，所述全双工MIMO无线电传输和接收方法使用所述多个第五信号的所述采收能量至少部分地为执行所述全双工MIMO无线电传输和接收方法的所述全双工MIMO无线电单元供电。由此可以以特别节能的方式执行所述方法。

根据前述实现形式的无线电传输和接收方法的第十种可能的实现形式，所述方法包括使用所述多个第五信号的所述采收能量对电池充电。由此能够实现降低外部能源消耗。

根据第二方面本身的无线电传输和接收方法的第十一种可能实现形式，或者根据第二方面的第一至第十实现形式中的任一个，所述方法包括处置N个信道、使用N个天线和N个环行器传输N个第一信号、接收N个第二信号、处理N个第三信号，其中N是≥2的自然数。特别地，N可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。任何其它数量的N也是可能的。由此可以实现较大的实现灵活性。

一般地，必须注意到，在本申请中所描述的所有安排、设备、元件、单元和装置等等都可以由软件或硬件元件或任何一种其组合实现。此外，所述设备可以是处理器，也可以包括处理器，其中在本申请中所描述的元件、单元和装置的功能可以在一个或多个处理器中实现。本申请中所描述的多种实体执行的所有步骤以及描述的由多种实体执行的功能描述都意图表示各实体适于或用于执行各自的步骤和功能。即使在下面的描述或者具体实施例中，由一般的实体执行的特定的功能或步骤未体现在对执行特定步骤或功能的实体的具体元件的描述中，本领域技术人员应当清楚的是，这些方法和功能能够在软件或者硬件元件或者任何一种其组合方面被实现。

附图说明

在下文将参照所包含的附图结合本发明的实施例对本发明进行详细解释。其中：

图1示出了示例性MIMO通信系统；

图2示出了具有一个信道并采用干扰消除的示例性通信系统；

图3示出了具有一个信道并执行干扰消除和能量采收的示例性通信系统；

图4示出了本发明的第一方面的实施例；

图5示出了通过使用本发明可实现的效率增益；

图6示出了通过使用本发明可实现的效率增益；

图7示出了通过使用本发明的效率增益；和

图8示出了本发明的第二方面的示例性实施例。

具体实施方式

从图1展示作为本发明的基础的问题之后，从图2-3示出了用于处理干扰的不同方法。从图4描述本发明第一方面的实施例的结构和功能。从图5-7讨论本发明的实验结果和益处。最后，图8关于功能描述了本发明的第二方面实施例。类似的实体和附图标记已被部分省略。

事实上，在传输过程中，带内全双工无线电不能避免从传输链路到接收链路的信号泄漏。这导致了高水平的SI影响接收到的信号。考虑到WiFi单天线全双工无线电，提出使用联合模拟和消除对接收器本底噪声的自干扰的数字消除技术，假设FD无线电使用有限传输功率，被称为P_TH，在此之上剩余的SI保持并影响接收器的性能。图2中示出了这种方法。

在图2中，示出了使用全双工和一个天线的示例性通信系统20。通信系统20包括连接到环行器22的传输单元21，环行器22连接到天线23和接收单元24。传输单元21还连接到干扰消除单元25，干扰消除单元25包括模拟干扰消除25a和数字干扰消除单元25b。接收单元24也连接到干扰消除25，特别是连接到模拟干扰消除单元25a和数字干扰消除单元25b。通过这种增强的SI消除过程，可以在80MHz上消除高达110dB的SI。

此外，建议将在接收单元24处的输入信号分成两部分：一部分，其功率与ρ成比例，馈送用于SI消除和数据提取的Rx链路，而剩余部分，其功率与1-ρ成比例，是用于能量采收。

关于图3示出了这种方法。除了图2的设置之外，图3中所示的通信系统30包括连接在环行器22和接收单元24之间的功率降低单元31。功率降低单元31包括直接连接在环行器22和接收单元24之间的信号分离器32。连接到信号分离器32的是DC至DC变换器33，连接到所述DC至DC变换器33的是通信系统30的电池34。DC至DC变换器33另外包括整流器。此外，系统30包括连接到功率降低单元31的基带模块36。

信号分离器32是可调信号分离器。它将从环行器22接收到的信号分离成被传送到接收单元24的接收信号和传送到DC至DC变换器33的能量采收信号。DC至DC变换器33首先执行RF信号的整流，然后调整DC电压用于给电池34充电。

功率分离器32执行信号分离，使得通过选择功率分离因子ρ，接收单元24处的功率不超过P_TH。在这个水平上，可以取消SI。回收利用额外的能源。功率分离因子的最优值可以如下得出

功率分离因子的确定由基带模块36执行。

图1中所示的全双工MIMO架构能够消除由于自对话和串扰引起的自干扰，但是它具有两个主要的缺点。第一个缺点来自全双工MIMO架构所施加的传输功率限制，以保证所提出的方案的自干扰消除能力。实际上，参照图1，应当调整每个TX信号的传输功率，使得所有RX信号的接收功率电平低于允许SI被抵消的可接受电平。发射功率的这种限制是个劣势，因为它能导致FD设备产生的输出传输的覆盖率和覆盖范围的限制。值得注意的是，接收到的自干扰对应于接收到的能量，该能量有害于感兴趣信号的接收。因此，这种方法的第二个劣势是，作为自干扰接收到的能量被浪费了，因为它对应于在数据通信中有害和无用的辐射能量。

此外，图3中所示的基于EH的全双工方案已经被设计用于单天线全双工无线电。只有来自自对话信号的能量才能被采收。

作为一个重大的改进，提出了一种双重解决方案，该解决方案能提高所述全双工MIMO无线电的能量效率以及输入感兴趣信号的频谱效率。由于所述Rx链路中SI的丰富性，提供了减轻全双工MIMO设备中的SI的方法，其中已经考虑了自对话和串扰成分。此外，提出了从每个Rx链路上的接收功率采收能量，这考虑到了由于全双工MIMO设备中的SI而浪费的能量的再循环利用。要强调的是，这种方法可以应用于任何类型的全双工多天线设备，即它可以应用于全双工基站或全双工用户设备或全双工中继节点。

理想情况下，多天线传输器将基于最大化发送到另一个节点的输出信号的速率的算法来设置其每个天线信号和传输功率。然而，在全双工中，每个天线信号和传输功率的选择将导致SI模式。良好的SI消除机制可以处置SI，而不修改和/或影响MIMO输出信号和传输功率。所提出的机制比现有技术的传输器在信号设计和传输功率选择方面提供了更多的灵活性。此外，所提出的方法提供了EH能力。

所提出的方法优化了用于全双工MIMO设备中的能量采收和数据接收的信号功率的分配。在图4中示出了针对任意数量的天线进行概括的实施例。为了避免该图的杂乱，在图4中没有明确地示出自对话和串扰信号。

在图4中示出了全双工多输入多输出-MIMO-无线电单元40。无线电单元40包括传输单元41和天线单元42，所述传输单元41包括多个传输信道TX1、TX2、TX3、TXN，所述天线单元42包括多个天线A₁、A₂、A₃、A_N。此外，它包括环行器单元44，所述环行器单元44包括多个环行器，每个环行器连接到传输信道TX1、TX2、TX3、TXN中的一个，并且每个都连接到天线A₁、A₂、A₃、A_N中的一个。此外，无线电单元40包括功率降低单元45，所述功率降低单元45包括多个功率降低器，每个功率降低器连接到环行器单元44的环行器中的一个。在该示例中，所述功率降低器各自被实施为信号分离器和DC至DC变换器，如图3所示。或者，每个所述功率降低器也可以构建为衰减器。但在这种情况下，采收能源是不可能的。另外，功率降低单元45还包括基带模块47。此外，无线电单元40包括接收单元43，接收单元43连接到功率降低单元45的功率降低器。此外，无线电单元40包括干扰消除单元48，其连接到传输单元41和接收单元43。无线电单元40还包括连接到功率降低单元45的电池46。

传输单元41适于产生多个第一信号50，每个第一信号50被传送到环行器单元44的环行器中的一个。此外，天线单元42的多个天线A₁、A₂、A₃、A_N适于接收多个第二信号51并且也将那些信号传送给环行器单元44的环行器。环行器单元44的环行器理想地将第一信号50完全传送给天线单元42的天线A₁、A₂、A₃、A_N，并且将第二信号51传送给功率降低单元45。

如前面所解释的那样，干扰通过环行器和天线单元42的天线A₁、A₂、A₃、A_N而非自愿地被增加。因此，环行器单元44的环行器传送多个第三信号52，其对应于由天线单元42的天线A₁、A₂、A₃、A_N接收的多个第二信号51和干扰。如前所述，这种干扰包括自对话和串扰。

第三信号52被传送给功率降低单元45，功率降低单元45将多个第三信号42中的每个单独信号分成多个第四信号53中的一个和多个第五信号54中的一个。多个第四信号53被传送给接收单元43，所述接收单元43对多个第四信号43执行数据检测。

多个第五信号54被用于能量采收。特别地，它们被传送给能量采收单元49，该能量采收单元49是功率降低单元45的一部分，并且可以给无线电单元40供电或者给电池46充电。还可以将采收的能量反馈到能源供给网络。在图4所示的例子中，第五信号54被传送给DC至DC变换器，所述DC至DC变换器在对第五信号54进行整流之后改变第四信号的电压。这里的DC至DC变换器形成能量采收单元49。然后，经整流和电压改变的信号被用于对电池46进行充电。

而且，为了减少干扰的影响，干扰消除单元48执行模拟和/或数字干扰消除。它使用关于从传输单元41接收到的第一信号50的信息，以生成多个干扰消除信号，其被添加到多个第四信号53以减少干扰。

此外，基带模块47确定多个第三信号52中的每个个体的功率由哪个功率降低因子ρ_i降低以生成第四信号53。天线i的功率降低因子ρ_i可以基于计算出的无线电单元的自干扰和功率阈值P_THi而确定。所述自干扰可以包括自对话干扰和串扰干扰。所述功率阈值P_THi可以是可以输入到天线i的最大功率。在一个可能的实现中，可以将天线i的功率降低因子ρ_i确定为天线i的自干扰与天线i的功率阈值P_THi之间的比值。

在以下段落中将描述功率降低因子的另一个例子。

特别是当执行如图4所描述的能量采收时，等于相应的第三信号乘以系数(1-ρ_i)的第三信号52的剩余部分可以用于在整流和电压改变之后对电池46进行充电。

在这种情况下，功率降低因子ρ_i由信号分离因子√ρ_i来产生，其确定各第三信号的幅度被传送给各个第四信号53的大小。然后，各第三信号的其余部分形成各个第五信号54。

基带模块47优化功率降低单元45内的每个功率分配器EH所需的功率分离因子值ρ_i。信号分离因子√ρ_i的计算旨在实现能量效率以及频谱效率。ρ_i值的计算通过使用设备信息、天线阵列信息和自干扰信息的组合来执行。基带模块可以使用的信息举例如下：

(1)传输功率P_TX可以被指定为每个天线TX功率的向量，例如，

P_TX＝[P_TX1，P_TX2，P_TX3，...，P_TXN]。

(2)可以输入到接收器链路的最大功率的阈值P_TH。所述阈值可以被指定为每个天线阈值的矢量，例如，

P_TH＝[P_TH1，P_TH2，P_TH3，...，P_THN]。

(3)可以被指定为设备中所有自对话的向量的所述自对话指示符STI，例如

STI＝[ST_A1，ST_A2，ST_A3，...，ST_AN]，其中ST_Ai是天线Ai处经受的自对话。

(4)所述串扰指示器，可以被指定为设备中所有串扰的矩阵

CTI(i，j)＝从天线Aj到天线Ai的串扰。

在下文中，示出了用于确定每个功率分离器EH的功率分离因子分数的可能过程的示例。由此可以实现显著的性能改进。这些改进将在之后展示和讨论。

如图4所示，使用计算功率降低单元45的每个功率分离器的最优值ρ₁、ρ₂、ρ₃、...、ρ_N的函数f。下面描述一个如何实现这个函数f的例子。

步骤1：以矩阵形式组织自对话指示符和串扰指示符信息：

所述自对话和串扰指示符被组织在一个自干扰矩阵中，其被表示为SIM，其中SIM(i，j)表示第i行和第j列的条目。SIM的条目如下：

■SIM(i，j)＝CTI(i，j)＝从天线A_i到天线A_i的串扰。

■SIM(i，i)＝STI(i)＝天线A_i处的自对话。

所述自对话和串扰以dB为单位表示耦合。例如，如果SIM(1，3)＝20dB，则意味着天线A₃和天线A₁之间的耦合串扰是20dB。因此，对于在天线A₃处具有功率P_TX3(以dBm为单位)的信号，在天线A₁处接收到的串扰等于

P_TX3-SIM(1，3)＝P_TX3-20dB(等式1)

所述SIM矩阵(即，自对话和串扰)的条目可以从以下任何一个获得：

1.SI信道的测量。

2.天线阵列中的天线耦合的模拟和通过所述环行器。

如果环境改变，则SIM的条目可能需要更新。如果关于自对话和串扰的新信息是可用的，则可以使用该信息来更新SIM。

步骤2：计算每个天线接收到的自干扰：

使用所述SIM矩阵和每个天线的传输功率的知识，我们计算每个天线A_i的总接收自干扰功率，如下

PSI_RXi＝∑^N _j＝1(P_TXj-SIM(i，j))(等式2)，

其中PSI_RXi表示天线i处接收到的自干扰功率，单位为dBm。由于等式2使用具有自对话和串扰信息的SIM，所以所得到的PSI_RXi代表从考虑了自对话和串扰两者的自干扰中接收的总能量。N表示天线、信道等的总数。

步骤3：计算每个接收器的ρ：

对于每个接收信号RXi，对应的ρ_i被计算为

ρ_i＝P_THi/PSI_RXi

其中的P_THi值对应于消除干扰功率的可实现功率，例如通过干扰消除单元48实现，以及对于单独的天线i的平均噪声水平。

由此计算的信号分离因子√ρ_i确定用于生成第四信号53的第三信号52的因子或幅度降低。相应的功率分离因子是ρ_i。

所提出的节能全双工MIMO无线电的理论优势如下：

■所提出的无线电能够处理较大集合的传输功率，在所述天线阵列中均匀地或非均匀地分配，而在所述解码期间不会引发SI过量。

■由于采收能量的存在，浪费的能量中不可忽视的一部分可以被收集和重复使用，实现节能。节省的程度随着传输功率的增加而增加。

■所述射频能量采收器是一个完全无源的组件，其现有技术可靠，并且非常容易理解。

■这种方法允许为每个天线的每个接收信号自适应地选择ρ，以便在能量/频谱效率方面实现给定的目标性能。

■这种方法不需要在特定的场景下才有效，并且可以在全双工和混合半/全双工MIMO场景下运行。

■在未来的网络环境中，例如5G网络，所述节能全双工MIMO无线电为实现全双工D2D通信和基于全双工的带内无线回程解决方案提供了一个有效的解决方案，同时使用MIMO技术提高了FD性能。

为了评估所提出的方法带来的实用优势，考虑了两种基准架构：

1.不使用任何干扰消除而实现的MIMO FD无线电。

2.对每个天线仅使用自对话干扰消除来实现的MIMO FD无线电。

考虑这样一个场景，其中FD MIMO设备中20个单元的均匀天线阵列，N＝20，与在半双工中操作的单天线用户终端(UT)通信，其中已经选择所述FD无线电的天线数量来简化所述结果的以下表示。模拟的参数如下：

作为第一个测试，所提出的架构的可实现的性能与第一基准场景进行比较，并且以输入链路的频谱效率增益来表示，为了便于表示，定义为η_R。值得注意的是，该频谱效率增益立即转化为FD无线电的吞吐量增益，且如果我们考虑增加所述设备的TX功率的可能性的话，就会更为明显，从而增加FD无线电和用户终端之间的链路的频谱效率。在图5和图6中描绘了这种情况下的频谱效率增益，图5示出了跨天线的相等功率分配的η_R，图6示出了跨天线的不相等功率分配的η_R。特别地，在x轴上，描绘了第一信号的输入传输功率。在y轴上，示出了可实现的效率增益。

特别值得注意的是，由目前提出的方法达到的可实现效率增益对于跨天线不相等功率分配而言显著较大。这是由于对于不相等的功率分配的天线而言，较低功率分配的天线可以从所提出的方法中受益显著较小，因为它们已经相对高功率分配天线对干扰的贡献显著较小。

在图5和6中示出相较于之前描述的第一基准方法的明显增益。在实践中，在考虑到的两种功率分配策略中都可以找到所述多个第一信号的传输-TX-功率，而第一基准解决方案开始受其所累。具体来说，能够做出以下观察。

由于均匀天线阵列的结果，SIM的对称性，所提出的架构在相等功率分配的情况下提供更一致的性能增加。事实上，后一方面创建了一个对称的SI模式，其提高了所提出的方法的效率。

通常，给定TX功率，η_R随着两个设备之间的距离增加而增加。这是正常的，考虑到FD无线电的接收信号越弱，所提出的解决方案可以提供的性能增益就越大。换言之，与所述基准解决方案不同，所提出的方法适用于非常广泛的通信范围。

通常，η_R不具有单调递增的行为。这是由于接收信号的SNR随着ρ_i减小的事实。另一方面，TX功率越大，ρ_i越小。因此，与所述基准解决方案相比来说，对TX功率可达到的相对于基准解决方案的性能增益至少可以比基准解决方案所能达到的多10倍。然而，应该注意的是，无限制增加TX功率不符合为下一代网络设想的能量消耗的减少。此外，由于监管限制，任何无线设备都需要遵守在等效全向辐射功率(EIRP)方面的物理限制。因此，可实现的性能增益不仅是显而易见的，而且足以应对下一代网络的必要性/要求/限制。

如上所述，由所提出的体系结构相对第二基准方案带来的性能增益，依据频谱效率，被描述为图7中的两个设备之间的距离的函数。所述距离在x轴上描绘，频谱效率增益在y轴上描绘。我们假定32dBm的TX功率，并将这个测试的结果绘制在图7中。

相对于第二基准解决方案，所提出的架构带来的性能增益对于每个考虑的距离都是显而易见的，对于相等和不相等的功率分配都如此。在这种情况下，将在此得到的值与图5和图6中观察到的值进行比较是值得的。这种比较并非不重要，因为它不仅显示了第二基准方法经常被所提出的架构胜过，而且还显示了因为设备之间的距离较小，它无法胜过第一基准解决方案。换句话说，所提出的方法不仅始终胜过第二基准方案，而且还允许所述FD无线电胜过在操作时没有任何干扰消除的类似方案，即使当第二基准方法不提供相同的特征时也是如此，例如较小距离。

此外，在图8中，示出了本发明方法的一个实施例。在第一步骤100中，生成多个第一信号。在第二步骤101中，所述多个第一信号由环行器传送，每个传送给一个天线。在第三步骤102中，通过相同的天线接收多个第二信号。在第四步骤103中，由所述多个环行器提供多个第三信号，每个第三信号包括多个第二信号中的一个和干扰。在第五步骤104中，多个第三信号中的每一个的功率由信号因子√ρ_i降低，从而生成多个第四信号。

有利地，功率降低因子ρ_i是基于关于信号和干扰的信息确定的。在最后的第六步骤105中，由接收单元接收所述多个第四信号。有利地，所述第三信号和所述第四信号之间的差值被用于能量采收。

本发明不限于这些示例，特别是不限于特定数目的天线N。而且，本发明可以用于任何类型的多天线全双工无线电系统。所述实施例的特征可以被用于任何有利的组合。

本发明与各种实施例在此一起被描述。然而，本领域技术人员通过附图、公开及所附权利要求的学习，在实践所要求的发明时，能够理解和实现本公开的实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者其他单元可以实现在权利要求中记载的一些项的功能。仅仅在通常不同的从属权利要求中记载特定措施的这一事实并不意味着这些措施的组合不能被有利的利用。计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，如光存储介质或者作为其他硬件的一部分或与其他硬件一起提供的固态介质，但也可能通过其他形式分布，如通过网络或其他有线或无线通信系统。

Claims (15)

1.一种全双工多输入多输出-MIMO-无线电单元(40)，包括：

-传输单元(41)，

-天线单元(42)，包括多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)，

-接收单元(43)，

-环行器单元(44)，包括多个环行器

和

-功率降低单元(45)，包括多个功率降低器，

其中传输单元(41)适于生成多个第一信号(50)，

其中所述环行器单元(44)适于向所述天线单元(42)的所述单独的天线(A₁、A₂、A₃、A_N)的每一个提供来自所述传输单元(41)的所述多个第一信号(50)中的一个，

其中所述天线单元(42)的每一个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)适于传输所述多个第一信号(50)中的一个并且同时接收多个第二信号(51)中的一个，

其中，所述环行器单元(44)的所述环行器中的每一个适于向所述功率降低单元(45)提供多个第三信号(52)中的一个，

其中所述多个第三信号(52)中的每一个包括所述多个第二信号(51)中的一个以及由所述天线单元(42)和所述环行器单元(44)产生的来自所述多个第一信号(50)的干扰，

其中所述功率降低单元(45)的所述功率降低器中的每一个适于通过将所述第三信号(52)中的一个乘以信号分离因子√ρ_i来降低所述第三信号(52)中的所述一个的功率，其中i是天线号，ρ_i在0和1之间，从而产生多个第四信号(53)，以及

其中所述接收单元(43)适于接收所述多个第四信号(53)。

2.根据权利要求1所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述全双工MIMO无线电单元(40)包括干扰消除单元(48)，适于

-生成多个干扰消除信号，每个干扰消除信号用于所述天线单元(42)的每一个天线，以及

-将所述多个干扰消除信号提供给所述接收单元(43)，以及

其中，所述接收单元(43)适于通过将所述多个干扰消除信号中的每一个添加到所述多个第四信号(53)中的一个或者添加到由所述接收单元(43)从所述多个第四信号(53)获取的多个中间信号中的每一个来消除至少部分的所述干扰。

3.根据权利要求1或2所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述功率降低单元(45)适于依据以下功率降低影响因子中的一个或多个来确定和设置所述信号分离因子√ρ_i：

-所述多个第一信号(50)的单独传输功率P_TXi，

-多个自干扰指示符SIM(i，j)，其中SIM(i，j)是所述天线单元(42)的所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)中的天线i和天线j之间的自干扰，

-所述多个自干扰指示符SIM(i，j)的准确度，

-可实现的模拟和数字干扰消除量，

-平均噪声水平。

4.根据权利要求3所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述全双工MIMO无线电单元(40)适于通过测量传输信道条件和/或通过模拟所述天线单元(42)的所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)之间的天线耦合来确定所述自干扰指示符SIM(i，j)。

5.根据权利要求3或4所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述功率降低单元(45)适于如下确定所述天线单元(42)的所述多个天线中的每个天线处的总接收自干扰功率PSI_RXi：

PSI_RXi＝∑^N _j＝1(P_TXj-SIM(i，j))

其中i是所述天线单元(42)的所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)中的所考虑的天线的索引，

其中j是所述天线单元(42)的所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)中的干扰天线的索引，以及

其中N是所述天线单元(42)的所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)的总数。

6.根据权利要求5所述的全双工MIMO无线电单元(40)

其中所述功率降低单元(45)适于如下确定所述信号分离因子√ρ_i：

ρ_i＝P_THi/PSI_RXi，

其中P_THi是单独天线i的可实现的模拟和数字干扰消除的量与平均噪声水平之和。

7.根据权利要求3所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述功率降低单元(45)适于

-确定所述不同功率降低影响因子的可用性，以及

-基于所述不同功率降低影响因子的所述可用性，确定如何确定所述信号分离因子√ρ_i。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的全双工MIMO无线电单元(40)

其中所述功率降低单元(45)包括多个信号分离器，所述多个信号分离器适于将所述多个第三信号(52)中的每一个分成所述多个第四信号(53)和多个第五信号(54)，

其中所述多个信号分离器适于分离所述多个第三信号(52)，使得

-所述多个第四信号(53)中的每一个是乘以了√ρ_i的所述多个第三信号(52)中的相应的一个，并且

-所述多个第五信号(54)中的每一个是乘以了√(1-ρ_i)的所述多个第三信号(52)中的相应的一个。

9.根据权利要求8所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述功率降低单元(45)包括能量采收单元(49)，所述能量采收单元适于采收所述多个第五信号(54)的至少部分能量。

10.根据权利要求9所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述能量采收单元(49)适于使用所述多个第五信号(54)的所述采收的能量来至少部分地为所述全双工MIMO无线电单元(40)供电。

11.根据权利要求10所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述全双工MIMO无线电单元(40)包括电池(46)，

其中所述能量采收单元(49)适于使用所述多个第五信号(54)的所述采收的能量对所述电池(46)充电。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的全双工MIMO无线电单元(40)，

其中所述全双工MIMO无线电单元(40)包括N个信道，

其中所述天线单元(42)包括N个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)，

其中所述环行器单元(44)包括N个环行器，

其中所述功率降低单元(45)包括N个功率降低器，并且

其中N是≥2的自然数。

13.一种全双工MIMO无线电传输和接收方法，包括：

-由传输单元(41)生成(100)多个第一信号(50)

-由环行器单元(44)的多个环行器中的单独环行器向天线单元(42)的多个天线中的单独的天线的每一个提供(101)所述多个第一信号(50)中的一个，

-由所述天线单元(42)传输所述多个第一信号(50)，

-由所述天线单元(42)的所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)同时接收(102)多个第二信号(51)，

-由所述环行器单元(44)提供(103)多个第三信号(52)，其中所述多个第三信号(52)中的每一个包括所述多个第二信号(51)以及由所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)中的一个和所述多个环行器中的一个产生的来自所述多个第一信号(50)中的一个的干扰，

-通过由功率降低单元(45)将所述多个第三信号(52)中的每一个乘以信号分离因子√ρ_i，来降低(104)所述第三信号(52)的每一个的功率，其中ρ在0和1之间，由此产生多个第四信号(53)，并且

-由接收单元(43)接收(105)所述多个第四信号(53)。

14.根据权利要求13所述的全双工MIMO无线电传输和接收方法，

包括：

-生成多个干扰消除信号，每个干扰消除信号用于所述天线单元(42)的所述天线(A₁、A₂、A₃、A_N)的每一个，以及

-通过将所述多个干扰消除信号中的一个添加到所述多个第四信号(53)中的每一个或者添加到从所述多个第四信号(53)的获取的多个中间信号中的每一个来消除至少部分的所述干扰。

15.根据权利要求13或14所述的全双工MIMO无线电传输和接收方法，

包括依据以下功率降低影响因子的一个或多个来确定和设置所述信号分离因子√ρ_i：

-所述多个第一信号(50)的单独传输功率P_TXi，

-多个自干扰指示符SIM(i，j)，其中，SIM(i，j)是所述天线单元(42)的所述多个天线(A₁、A₂、A₃、A_N)中的天线i和天线j之间的自干扰，

-所述多个自干扰指示符SIM(i，j)的准确度，

-可实现的模拟和数字干扰消除量，

-平均噪声水平。