CN111211882B - 一种极化全双工通信实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种极化全双工通信实验平台，主要功能模块包括极化全双工通信、控制和显示三大部分。极化全双工通信功能分为极化全双工发送链和极化全双工接收链两个部分。平台控制功能主要对USRP参数、极化参数、调制参数和端口设置参数进行设置。平台显示功能主要对收发信号进行监测，包括星座图、SNR计算、吞吐量计算和时延计算等模块。基于软件无线电技术，搭建了端对端的全双工通信实验平台，测试结果表明，本平台实现了极化全双工通信，提高了自干扰消除量和数据速率，并且支持对通信频率、调制阶数、码率、极化角度等参数的修改，适用于极化全双工通信的测试需求。

Description

一种极化全双工通信实验平台

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，基于软件无线电技术实现了具有极化域自干扰消除功能的全双工通信实验平台原型。

背景技术

无线通信可提供多样化的信息服务，随着移动数据量和用户需求飞速的增加，现在预计未来的应用将需要数十Gbps峰值数据速率，预期延迟数字为几毫秒。但是可分配的无线频谱资源日益紧张，而用户发展、技术升级等业务都需要以充裕的频谱资源为基础。近年来，针对频谱资源这一制约无线通信发展的关键问题，研究人员相继提出很多提高频谱利用率的新技术与方法。其中同时同频全双工技术因为其相对半双工能成倍提升频谱效率的优点受到人们的广泛研究。

在同时同频全双工技术的研究中，自干扰消除技术是重中之重而极化全双工技术能有效消除自干扰信号。全双工的自干扰消除可以分为空间域、极化域以及时频域的自干扰消除。

目前用于同时同频全双工研究的实验平台采用的是时频空域的自干扰消除技术。典型的同时同频全双工研究的实验平台主要有Rice大学的WARP平台和Stanford大学的USRP平台。这两个平台主要在模拟域进行，其中Stanford大学采用Balun模拟消除方法，将发送电路RF信号延时、衰减处理后，通过有线链路传输到接收电路，用于抵消自干扰信号。Rice大学法利用一条额外的有线链路产生与原始信号有相同信道衰落的RF信号，有线传输到接收电路后与自干扰信号进行抵消。

本发明首次实现在极化域对自干扰信号，未来全双工的应用以及双极化天线的使用将会普及，而极化全双工通信实验平台的研究与实现将会为其普及提供一个原形，具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的问题是：在无线通信领域，特别是全双工通信系统实现中，尚无采用极化域自干扰消除技术的全双工通信实验平台。

本发明技术方案为：极化全双工通信实验平台，两个通信节点，每个通信节点具有一个发射端和一个接收端，发射端通生成极化发送信号并通过双极化天线进行发送，接收端对通接收到的极化信号进行极化消除。

本发明分为三大功能模块。首先是基于极化全双工通信功能，实现对自干扰信号的消除和对期望信号的接收。其次平台控制功能，实现对通信平台有效收发控制。最后是平台显示功能，用于衡量平台的性能和使用平台进行相关实验时获得有效的实验结果。

在无线通信的电磁波理论中，极化的定义为电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内，随时间变化在空间运动所形成的轨迹形状和旋向。极化全双工通信功能利用极化失配的原理来实现自干扰消除，在发送端对基带信号进行极化处理以生成极化信号，在接收端进行极化消除过滤掉自干扰信号，将有用信号转化为基带信号。

本发明对收发器的控制，通过在平台运行前和运行时对相关参数进行调节来进行。平台运行前，对平台硬件的连接情况进行检测，避免运行时因电源和连接线等客观因素而无法正常运行。平台运行过程中，分别对平台收发器进行开关控制，以达到通信实验的目的。

本发明对通信性能的衡量包括功率谱密度、星座图、信噪比和吞吐量等。通过对这些性能的检测，实验平台能更好的对平台性能进行分析，并且使用者在平台使用过程中更方便、快捷。

本发明的优点：

1、本发明采用双极化天线，在空间域通过极化方向的隔离影响信道空间特性，减小自干扰信号；

2、本发明在极化域实现自干扰消除，利用复杂度较低的极化自干扰消除算法，有效解决了自干扰信号的影响；

3、本发明支持1.2GHz-6GHz的通信频率，采用QPSK、16-QAM、64-QAM的多码率调制方式，能够承担多样化的实验要求。

附图说明

图1是本发明软硬件整体架构图；

图2是本发明功能模块示意图；

图3是本发明功能架构图；

图4是本发明极化全双工通信功能实现流程图；

图5是本发明发送端任意极化状态发送的原理图；

图6是本发明接收端任意极化状态接收的原理图；

图7是本发明控制功能实现流程图；

图8是本发明显示功能实现流程图；

具体实施方式

本发明为极化全双工通信实验平台，功能多样，操作简便，下面结合附图对本发明作进一步描述。

表1

如图1，本发明使用LabVIEW通信系统设计套件对平台功能进行编程实现，平台硬件实物包括两台USRP RIO(2943R)设备、两个PXI远程控制设备(PCIe-8371)、四对TDJ-5158BKR双极化天线、两台PC设备，表1是平台硬件的规格。USRP RIO(2943R)设备带有灵活的射频上下转换器，两个RF端口可同时支持信号的发射和接收。PXI远程控制设备(PCIe-8371)部署在计算机的PCI插槽中，通过MXI电缆连接计算机和USRP RIO(2943R)设备，起到稳定、高速交换数据的作用。发送信号时，数据由PC通过PCIe-8371传输至USRP RIO(2943R)设备，在FPGA中处理后变为极化发送信号，最后通过双极化天线进行发送。接收信号时，信号由天线传到USRP RIO(2943R)中经FPGA处理后变为数据流，数据流经PXI远程控制设备(PCIe-8371)传输至PC中进一步处理。

如图2，本发明主要功能模块包括极化全双工通信、控制和显示三大部分。极化全双工通信功能分为极化全双工发送链和极化全双工接收链两个部分。平台控制功能包括USRP参数、极化参数、调制参数和端口设置等模块。平台显示功能包括星座图、SNR计算、吞吐量计算和时延计算等模块。

如图3，平台功能架构按其功能可分为极化全双工通信功能、控制功能和显示功能三部分。其中极化全双工通信功能包括发送信号的编码调制到极化处理、接收信号的极化消除与解码解调，分为发送链路(streamin、读取数据、FIFO、LTE发送链路、极化)和接收链路(去极化、LTE接收链路、FIFO、写入数据、streamout)。控制功能则是通过参数配置来对发送和接收器进行控制，包括参数控制、TX/RX控制、FPGA读写控制三个部分。显示功能则是通过信号处理来对系统性能进行检测，包括信号处理、FPGA读写控制、TX/RX显示三个部分。

如图4，极化全双工通信功能分为两个部分，一部分是极化全双工发送链，另一部分是极化全双工接收链。极化全双工发送链包括视频流输入、基带发送链路、上变频、极化处理四部分。基带发送链路对信号进行OFDM编码调制处理，生成OFDM基带信号。上变频把基带信号变频到频带信号。极化处理分为两部分进行，功分网络主要调节极化信号两条支路的幅度比，移相网络则控制两支路信号的相位差。经过极化调制后，两路极化信号分别通过数模转换为模拟信号，最后经过RF口输出到天线。

如图5，功分网络和移相网络的传递函数分别为：

其中，

是发射信号的极化相位描述子。矢量信号经过功分网络和移相网络，由

确定信号的极化状态，最终馈送至双极化天线进行发送。若发送机产生幅度为E，频率为ω的信号，其通过功分网络和移相网络后的极化信号可表示为：

通过调整极化相位描述子

可使发送矢量信号的电场强度E(t)遍历所有极化状态，这样即可实现任意极化状态的发送。

在极化全双工接收链中，天线接收到的射频信号先通过模数变化转换为数字信号。极化消除部分先对经过模数变化后的信号进行相位加权处理，再进行幅度加权处理。极化消除通过极化匹配和失配的原理分别对有用信号进行接收和对自干扰信号进行过滤。经过极化处理后的接收信号通过下变频后变为基带接收信号，最后在基带接收链路中进行解码映射。解码出来的数据以视频流的形式进行播放。

如图6，幅度加权和相位加权的传递函数分别为：

其中，

是接收信号的极化相位描述子。接收到的信号经过相位加权和幅度加权，由

确定信号的接收极化状态。接收到的信号，通过相位加权和幅度加权，可表示为:

信号经过合成后，最终得到：

y＝(R_H cosα_r+R_V sinα_r)e^jωt (7)

通过调整极化相位描述子

可使接收天线系统遍历所有极化状态，这样即可实现任意极化状态的接收。

如图7，极化发送器和极化接收器由收发控制来进行启用和关闭。收发控制还可以对系统参数进行设置，这些参数主要包括USRP参数、极化参数、调制参数和端口设置参数。

USRP参数是根据USRP RIO硬件性能的特性进行设计的，USRP的名称是在NI MAX软件中识别的USRP硬件代号。带宽则是USRP规格的选取，所使用的USRP RIO(2943R)带宽为120MHz。极化参数是针对极化调制部分进行设计的，分为发送极化参数和接收极化参数两部分，发送极化参数用于发送端的极化处理部分，接收极化参数用于接收端的极化消除部分。通过修改极化发送参数，将分别在功放和移相网络中修改两路极化信号的幅度比和相位差，修改极化发送信号的极化状态。接收极化参数由发送极化参数确定，只有接收极化参数和发送极化参数匹配，接收端的极化解调才能完美解出极化信号。当接收极化角度和发送极化角度正交时，将无法收到信号。因此同一通信节点的发送极化参数与接收极化参数相互正交，与对端的极化发送参数匹配。

调制参数是针对OFDM基带处理部分而言的，OFDM技术在移动通信、无线局域网、数字电视等领域得到了广泛的应用，本部分主要是基于LabVIEW设计对OFDM调制阶数和码率的控制。发明中设计的调制的调制方式主要有QPSK、16-QAM、64-QAM。

USRP RIO(2943R)具有两个RF通道，每个RF通道包括一个TX1/RX1和一个RX2端口。其中TX1/RX1端口可用于信号的发送或接收，RX2端口只能用于信号的接收。端口参数设置用于配置极化信号的发送和接收端口。

如图8平台显示功能主要对收发信号进行监测，因此可分为发送显示和接收显示两部分。发送显示主要对发送信号频谱进行检测。接收显示部分包括频谱图、星座图、SNR计算、吞吐量计算和时延计算等模块。

频谱图可以直观的看到信号的带宽和不同频率分量的功率，在通信系统中通过观察频谱图可以理解经过信道传输后信号的变化情况。在全双工通信的研究过程中，频谱图也可以用来分析自干扰信号的消除效果和有用信号的接收情况。

在数字通信领域中，将数字信号在复平面上表示，可以直观的表示信号以及信号之间的关系。这种图示就是星座图。平台中星座图主要分析QPSK、16-QAM、64-QAM的误码率。一般来说，星座图中的点越集中，误码率越低；星座图的点越散乱，误码率越高。

SNR是有用信号和噪声的比值。在通信系统中是衡量通信质量一个主要性能指标，是提升系统性能，实现各项通信质量的重要前提。SNR的计算将给出平台通信性能分析的主要依据。SNR估计的方法主要是基于前导符号的信噪比估计以及导频信号估计方法。吞吐量的大小表明了通信系统的承载能力，也是衡量通信质量一个主要性能指标。

极化处理模块生成了H和V两路极化信号，接收端的双极化天线分别对H和V路极化信号进行接收。这个过程中H和V两路极化信号之间可能会产生延迟，导致极化信号的特性发生变化，接收端将不能正常解析极化信号。因此设计了H和V两路极化信号的延迟估计功能，该部分在接收端的极化消除前进行，原理是通过计算H和V两路信号的互相关函数，得到函数的峰值索引，推导出两路信号的延迟。

本发明操作界面分为程序说明、USRP配置、极化配置、程序开关、发送端TX和接收端RX六部分。程序说明简单介绍了程序运行所需的操作，使得初学者可以较快上手本极化全双工通信实验平台。USRP配置部分是在程序运行前对USRP名称和带宽等进行设置，保证调用硬件资源正确。FPGA Ready亮起后说明已成功启用硬件，可进行后续对收发器的操作。极化配置部分主要对发送极化角度和接收极化角度进行设置，角度单位为度。程序开关除了对收发器进行开关控制以外，还可对程序进行停止操作(使用套件按钮RUN启动程序)。

本发明基于软件无线电技术首次实现了采用极化域自干扰消除技术的全双工通信实验平台，测试结果表明了极化全双工通信实验平台的可行性和可用性，在科研工作中可进行不同极化全双工通信算法验证的测试。

Claims (5)

1.一种极化全双工通信实验平台，其特征在于：包括基于USRP设计的极化全双工通信实验平台整体架构，所述极化全双工通信实验平台整体架构分为三大部分功能模块，所述三大功能模块包括极化全双工实验平台通信功能、极化全双工实验平台控制功能和极化全双工通信实验平台显示功能，其中，所述极化全双工通信实验平台通信功能是极化全双工通信实验平台实现的基础且支持高数据速率传输和高清视频播放，所述极化全双工通信实验平台控制功能对通信实验平台通信频率、信号增益、调制方式和极化角度进行控制，所述极化全双工通信实验平台显示功能对HV极化信号时延、吞吐量、信噪比和频谱图进行测试和验证。

2.根据权利要求1所述的一种极化全双工通信实验平台，其特征在于，所述极化全双工通信实验平台通信功能部分由极化全双工发送链和极化全双工接收链构成，所述极化全双工发送链包括视频流输入模块、基带发送链路模块和极化处理模块，所述极化全双工接收链包括视极化消除模块、基带接收链路和视频流输出模块。

3.根据权利要求1所述的一种极化全双工通信实验平台，其特征在于，所述极化全双工通信实验平台控制功能通过参数设置来对极化收发器进行控制，所述参数具体为USRP参数、极化参数、调制参数和端口参数，其中，所述USRP参数用于USRP配置，所述极化参数用于极化角度控制，所述调制参数用于调制阶数控制和资源块分配，所述端口参数用于对RF端口信号频率、增益控制。

4.根据权利要求1所述的一种极化全双工通信实验平台，其特征在于，所述极化全双工通信平台显示功能具体包括频谱图、星座图、SNR计算、吞吐量计算、延迟计算五个模块，其中，所述频谱图模块显示了发送和接收信号的功率谱密度，所述星座图直观显示了接收信号的解调情况，所述SNR计算模块给出了信号的信噪比，所述吞吐量计算可实时计算出系统传输速率，延迟计算模块对HV两路信号延迟进行估计。

5.根据权利要求2所述的一种极化全双工通信实验平台，其特征在于，所述的极化处理和消除部分基于极化失配和匹配原理进行实现，其中，所述极化处理部分在发射机部分进行，发送信号先经过功分网络在经过移相网络，所述极化消除部分在接收机部分进行，接收信号先经移相网络再经过功分网络。

Images