CN108540165B - 在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰的方法，我们通过建立单天线单阵元辅助射频通道的数字表示，设计相关器，同时将主射频信道的干扰信号经过模拟反相器，产生一个幅度相同、相位相差π的信号，两路信号可以在经过环形器后相叠加，基于对称原理，在理想情况下，使得正阵元给负阵元产生的互干扰与负阵元给正阵元产生的互干扰可相互对消，然后通过提取自干扰主分量相对于辅助信号的延迟、相移、幅度，利用以上三维信息在数字域对辅助信号进行预加权(三维精确控制)，再通过射频域加法器实现了自干扰对消(跨域自干扰抵消)，进而有效提升了通信的频谱效率，使得频谱效率更高。

Description

在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰 的方法

技术领域

本发明涉及消除单对偶阵元自/互干扰的方法，具体涉及在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰的方法，属于通信技术领域。

背景技术

无线同时同频双源全双工传输指的是在同一个无线物理信道上由两个源节点到两个目的节点的信号的传输，其中至少有一个节点既为源节点又为目的节点。

无线同时同频双源全双工是近几年来在小尺度通信环境下可以被实用化的一种有效提升通信频谱效率的技术。相比于传统的半双工(同一频段同一时隙上只有一个源节点发送数据和一个目的节点接收数据)，无线同时同频双源全双工理论上可以提升1倍的频谱效率，从而从本质上增加无线网络扩容的能力。更有利的是，无线同时同频双源全双工模式可以取代频分双工和时分双工这两种传统的半双工模式，实现双工方式的统一，从而为无缝统一的通信提供有效途径。

同时同频双源全双工作为方式统一、比传统半双工频谱效率更高的双工模式，受到学术界与工业界的广泛关注。然而，随着人们对大容量、高兼容性通信的需求与日俱增，例如目前一些可穿戴的智能设备(智能手表、智能眼镜、智能手机等)，如何实现频谱效率更高、如何更好地消除未来无线通信中的自/互干扰、如何实现双工方式统一传输成为下一代无线通信(5G)迫切需要解决的问题。

同时同频全双工通信的本地功率泄露会导致严重的自干扰，因此有效的消除同频环路自干扰是全双工得以应用的前提。

在无线同时同频双源全双工通信中，抑制和抵消通信中的自/互干扰技术基本可以归纳为三种：

(1)传播域自干扰抑制技术，该技术主要是在空间域利用射频技术大幅度削弱自干扰，从而避免接收端射频放大器的输入端产生“压制性自干扰”；

(2)模拟域自干扰抵消技术，该技术是在接收端降低自干扰，从而避免模数转换器的输入被自干扰压制；

(3)数字域自干扰抵消技术，该技术主要对残余自干扰进行精确刻画重构并消除，同时克服射频放大器的失真、模数转换器的非线性、收发晶振相位误差等因素对自干扰的影响。

上述三种技术有一个共同的特点，就是都要求收发天线不能是同一根天线，即都是围绕多天线展开的，这样做的目的是为了不给发射天线产生本天线回路自干扰，但由于收发不共用天线，明显浪费了部分天线资源。

针对日益紧缺的天线和带宽资源，探索收发天线共用一根天线(即围绕单天线展开)且不以天线为置换资源换取全双工频谱效率提升的全双工自/互干扰消除的方法，对未来无线通信有着关键的作用。

此外，上述三种技术还有一个共同的特点，那就是都不适用于大尺度通信情形，例如传输距离为1公里的通信。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于大尺度通信情形、在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰的方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、建立针对正负阵元主射频通道的等效基带模型

正负阵元主射频通道即信号通道，建立针对该正负阵元主射频通道的等效基带模型，具体如以下公式所示：

其中：

I_p(t)表示正阵元主射频通道的脉冲响应；

I_n(t)表示负阵元主射频通道的脉冲响应；

L表示多径信道中的多径数目；

a_l(t)表示第l路径的幅度响应；

θ_l(t)表示第l路径的相移；

τ_l表示第l路径的时延；

δ(t-τ_l)表示当时延为τ_l时的冲击函数；

j表示虚数的单位；

将前已建立的针对正负阵元主射频通道的等效基带模型与环行器的信道进行卷积，得到环行器的信道新的表达式，具体如下：

其中：

*表示卷积；

ε_ab表示从正阵元的环行器的端口a到端口b的时延(ab∈{12,13,23})；

表示从负阵元的环行器的端口a到端口b的时延(ab∈{12,13,23})；

k_ab(t-ε_ab)表示从正阵元的环行器的端口a到端口b的幅度响应(ab∈{12,13,23})；

表示从负阵元的环行器的端口a到端口b的幅度响应(ab∈{12,13,23})；

ω_ab(t-ε_ab)表示从正阵元的环行器的端口a到端口b的相移(ab∈{12,13,23})；

表示从负阵元的环行器的端口a到端口b的相移(ab∈{12,13,23})；

h_n,p(t-η_n,p)表示从负阵元的环行器到正阵元的环行器之间的无线信道的脉冲响应，η_n,p是其时延；

h_p,n(t-η_p,n)表示从正阵元的环行器到负阵元的环行器之间的无线信道的脉冲响应，η_p,n是其时延；

二、设计相关器

首先，将从环行器出来的两路信号用加法器进行叠加，完成第一步的自/互干扰抵消，公式如下：

y(t)＝y_p(t)+y_n(t)+y_u(t)*γ(t)

＝x(t)*I_p(t)+x(t)*I_n(t)+y_u(t)*γ(t)

＝x(t)*[I_p(t)+I_n(t)]+y_u(t)*γ(t)

其中：

y(t)表示正负阵元经过加法器的输出信号；

x(t)表示本地已知的干扰信号；

y_p(t)表示正的信号、y_n(t)表示负的信号、y_u(t)表示有用信号；

γ(t)表示从正负阵元的环行器的端口2到端口3之间的信道脉冲响应；

然后，通过

对信号y(t)进行A/D采样，其中，T_s表示采样周期，m表示采样点，y(m)表示采样后的离散信号；

接下来，设计一条辅助射频通道，使其基带模型与主射频通道的基带模型类似，该辅助射频通道的脉冲响应用

表示，当本地已知的干扰信号x(t)经过辅助射频通道之后得到输出信号z(t)：

同样，对z(t)进行A/D采样，得到z(m)；

为了去除主要的自干扰信号这部分，将两路信号做相关处理，在τ时刻y(t)与z(t)的互相关函数R(τ)为：

最后，基于射频相关器的输出结果，自适应的调整辅助射频通道辅助信号的时延、幅度、相移，从而获取相关器的强相关结果，此时对应单天线单阵元的自干扰主分量可被完全抵消，表达式为：

其中：

E表示期望。

本发明的有益之处在于：

1、收发天线共用一根天线，节省了部分天线和带宽资源；

2、在保证不浪费天线资源的前提下，有效地消除了同时同频全双工通信中的自/互干扰，进而有效地提升了通信的频谱效率，使频谱效率更高；

3、因为频谱效率更高，所以适用于大尺度通信情形。

附图说明

图1是本发明的单天线单对偶阵元的系统框图；

图2是单天线单对偶阵元自/互干扰消除前后的对比图。

具体实施方式

在本发明提供的方法中，单天线单对偶阵元指收发共用一根天线，且其中配置一个正阵元与一个负阵元，正阵元与负阵元发射同一信号，二者相位相差180度。

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明提供的在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰的方法，具体包括以下步骤：

一、建立针对正负阵元主射频通道的等效基带模型

正负阵元主射频通道即信号通道，建立针对该正负阵元主射频通道的等效基带模型，具体如以下公式所示：

其中：

I_p(t)表示正阵元主射频通道的脉冲响应；

I_n(t)表示负阵元主射频通道的脉冲响应；

L表示多径信道中的多径数目；

a_l(t)表示第l路径的幅度响应；

θ_l(t)表示第l路径的相移；

τ_l表示第l路径的时延；

δ(t-τ_l)表示当时延为τ_l时的冲击函数；

j表示虚数的单位。

图1是本发明的单天线单对偶阵元的系统框图。

参照图1，当本地的正负阵元分别与一个环行器连接时，相当于接入了一个新的信道，将前已建立的针对正负阵元主射频通道的等效基带模型与环行器的信道进行卷积，得到环行器的信道新的表达式，具体如下：

其中：

*表示卷积；

ε_ab表示从正阵元的环行器的端口a到端口b的时延(ab∈{12,13,23})；

表示从负阵元的环行器的端口a到端口b的时延(ab∈{12,13,23})；

k_ab(t-ε_ab)表示从正阵元的环行器的端口a到端口b的幅度响应(ab∈{12,13,23})；

表示从负阵元的环行器的端口a到端口b的幅度响应(ab∈{12,13,23})；

ω_ab(t-ε_ab)表示从正阵元的环行器的端口a到端口b的相移(ab∈{12,13,23})；

表示从负阵元的环行器的端口a到端口b的相移(ab∈{12,13,23})；

h_n,p(t-η_n,p)表示从负阵元的环行器到正阵元的环行器之间的无线信道的脉冲响应，η_n,p是其时延；

h_p,n(t-η_p,n)表示从正阵元的环行器到负阵元的环行器之间的无线信道的脉冲响应，η_p,n是其时延。

二、设计相关器

基于主射频通道与辅助射频通道信号的相关性，提取自/互干扰回路(存在多径)的主分量。然后设计可在数字域明确反映相关性结果(相对幅度、相对相位、相对时延)的射频相关器的参数，并将其反映在数学模型上。

1、将从环行器出来的两路信号用加法器进行叠加

建立完正负阵元主射频通道(信号通道)的等效基带模型之后，首先，将从环行器出来的两路信号用加法器进行叠加，完成第一步的自/互干扰抵消，公式如下：

y(t)＝y_p(t)+y_n(t)+y_u(t)*γ(t)

＝x(t)*I_p(t)+x(t)*I_n(t)+y_u(t)*γ(t)

＝x(t)*[I_p(t)+I_n(t)]+y_u(t)*γ(t)

其中：

y(t)表示正负阵元经过加法器的输出信号；

x(t)表示本地已知的干扰信号；

y_p(t)表示正的信号、y_n(t)表示负的信号、y_u(t)表示有用信号；

γ(t)表示从正负阵元的环行器的端口2到端口3之间的信道脉冲响应。

然后，我们通过

对信号y(t)进行A/D采样，其中，T_s表示采样周期，m表示采样点，y(m)表示采样后的离散信号。

2、设计一条辅助射频通道

设计一条辅助射频通道，使其基带模型与主射频通道的基带模型类似，该辅助射频通道的脉冲响应用

表示。当本地已知的干扰信号x(t)经过辅助射频通道之后得到输出信号z(t)：

同样，对z(t)进行A/D采样，得到z(m)。

为了去除主要的自干扰信号这部分，将两路信号做相关处理，在τ时刻y(t)与z(t)的互相关函数R(τ)为：

3、获取相关器的强相关结果

基于射频相关器的输出结果，自适应的调整辅助射频通道辅助信号的时延、幅度、相移，从而获取相关器的强相关结果(相关系数等于-1)，此时对应单天线单阵元的自干扰主分量可被完全抵消，表达式为：

其中：

E表示期望。

我们使用UIY-CC2628A型环行器，其中心频率为2412MHz，带宽为22MHz，在Matlab下，设定环行器可以工作的条件，发射该条件下一已知干扰信号(正弦信号)，通过对该信号进行多次A/D采样，并保存每次采样的数据，最后将每次保存的数据和原已知信号进行相关操作，取出相关最大的数据，之后和原已知信号做相减操作，得到消除后的自/互干扰信号，在本实施例中，我们设定原自/互干扰信号功率近40dB，并对该干扰信号进行了10次A/D采样，对消除后的自/互干扰信号进行仿真，并取出10次仿真中自相关最大的情况下自/互干扰的结果，如图2所示。

由图2可知：在中心频率2412MHz下，原自/互干扰信号功率近40dB，并且有用信号远远低于干扰信号，采用本发明的方法后，自/互干扰信号功率近15dB，实现了近25dB的自/互干扰消除。

由此可见，我们通过建立单天线单阵元辅助射频通道的数字表示，设计相关器，同时将主射频信道的干扰信号经过模拟反相器，产生一个幅度相同、相位相差π的信号，两路信号可以在经过环形器后相叠加，基于对称原理，在理想情况下，使得正阵元给负阵元产生的互干扰与负阵元给正阵元产生的互干扰可相互对消。然后，我们通过提取自干扰主分量相对于辅助信号的延迟、相移、幅度，利用以上三维信息在数字域对辅助信号进行预加权(三维精确控制)，再通过射频域加法器实现了自干扰对消(跨域自干扰抵消)，进而可有效提升通信的频谱效率，使得频谱效率更高。

此外，相对于传统的自/互干扰消除方法，本发明提出的自/互干扰消除方法使得单天线全双工通信中的频谱效率更高，所以本发明提供的自/互干扰消除方法适用于大尺度通信情形。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.在单天线同时同频全双工通信中消除单对偶阵元自/互干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、建立针对正负阵元主射频通道的等效基带模型：

正负阵元主射频通道即信号通道，建立针对该正负阵元主射频通道的等效基带模型，具体如以下公式所示：

在公式(1)中：

I_p(t)表示正阵元主射频通道的脉冲响应；

I_n(t)表示负阵元主射频通道的脉冲响应；

L表示多径信道中的多径数目；

a_l(t)表示第l路径的幅度响应；

θ_l(t)表示第l路径的相移；

τ_l表示第l路径的时延；

δ(t-τ_l)表示当时延为τ_l时的冲击函数；

j表示虚数的单位；

将已建立的针对正负阵元主射频通道的等效基带模型与环行器的信道进行卷积，得到环行器的信道新的表达式，具体如下：

在公式(2)中：

*表示卷积；

ε₁₃表示从正阵元的环形器的端口1到端口3的时延；

ε₂₃表示从正阵元的环形器的端口2到端口3的时延；

表示从负阵元的环形器的端口1到端口2的时延；

k₁₃(t-ε₁₃)表示从正阵元的环行器的端口1到端口3的幅度响应；

k₂₃(t-ε₂₃)表示从正阵元的环行器的端口2到端口3的幅度响应；

表示从负阵元的环行器的端口1到端口2的幅度响应；

ω₁₃(t-ε₁₃)表示从正阵元的环行器的端口1到端口3的相移；

ω₂₃(t-ε₂₃)表示从正阵元的环行器的端口2到端口3的相移；

表示从负阵元的环行器的端口1到端口2的相移；

h_n,p(t-η_n,p)表示从负阵元的环行器到正阵元的环行器之间的无线信道的脉冲响应，η_n,p是其时延；

在公式(3)中：

ε₁₂表示从正阵元的环形器的端口1到端口2的时延；

表示从负阵元的环形器的端口1到端口3的时延；

表示从负阵元的环形器的端口2到端口3的时延；

k₁₂(t-ε₁₂)表示从正阵元的环行器的端口1到端口2的幅度响应；

表示从负阵元的环行器的端口1到端口3的幅度响应；

表示从负阵元的环行器的端口2到端口3的幅度响应；

ω₁₂(t-ε₁₂)表示从正阵元的环行器的端口1到端口2的相移；

表示从负阵元的环行器的端口1到端口3的相移；

表示从负阵元的环行器的端2到端口3的相移；

h_p,n(t-η_p,n)表示从正阵元的环行器到负阵元的环行器之间的无线信道的脉冲响应，η_p,n是其时延；

二、设计相关器：

首先，将从环行器出来的两路信号用加法器进行叠加，完成第一步的自/互干扰抵消，公式如下：

其中：

y(t)表示正负阵元经过加法器的输出信号；

x(t)表示本地已知的干扰信号；

y_p(t)表示正的信号、y_n(t)表示负的信号、y_u(t)表示有用信号；

γ(t)表示从正负阵元的环行器的端口2到端口3之间的信道脉冲响应；

然后，通过

对信号y(t)进行A/D采样，其中，T_s表示采样周期，m表示采样点，y(m)表示采样后的离散信号；

接下来，设计一条辅助射频通道，使其基带模型与主射频通道的基带模型类似，该辅助射频通道的脉冲响应用

表示，当本地已知的干扰信号x(t)经过辅助射频通道之后得到输出信号z(t)：

z(t)＝x(t)*I(t) (5)；

同样，对z(t)进行A/D采样，得到z(m)；

为了去除主要的自干扰信号这部分，将两路信号做相关处理，在τ时刻y(t)与z(t)的互相关函数R(τ)为：

最后，基于射频相关器的输出结果，自适应的调整辅助射频通道辅助信号的时延、幅度、相移，从而获取相关器的强相关结果，此时对应单天线单阵元的自干扰主分量可被完全抵消，表达式为：

其中，在公式(7)中：

E表示关于参数I_p(t)及I_n(t)的期望。

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