同频同时全双工技术浅析

《电信网技术》2013年11月第11期专家视点1引言双工技术是通信节点实现双向通信的关键之一。传统双工模式主要是频分双工（FDD）和时分双工（TDD），用以避免发射机信号对接收机信号在频域或时域上的干扰。新兴的同频同时全双工技术采用干扰消除的方法，减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率的目的。在FDD移动通信系统中，基站发射机通过下行信道，将信号发送至移动终端，而移动终端则通过上行信道发送信号至基站接收机，因为下行信道和上行信道采用不同的频率，基站接收机利用滤波器的通带和禁带分别获得接收信号和抑制下行信道信号（即抑制基站发射机信号的干扰）。为此，FDD付出两份频率开销：一份是下行信道频率开销，另一份是上行信道频率开销。而TDD系统下行信道设置在一系列时隙上，上行信道则设置在另外一系列时隙上，基站在接收上行信道信号时，其发射机停止工作，从而避免了发射信号的干扰，系统时间资源开销一份用于上行，另一份用于下行信道。无论FDD还是TDD，系统为双工通信都付出了双份资源开销。因为频率资源和时间资源具有等效性，所以理论上FDD和TDD具有相同的频谱效率。在无线通信频率资源甚为匮乏的今天，自然会提出一个问题：可否将FDD/TDD中的双份资源开销减半？新兴的同频同时全双工技术给出了肯定的答案。同频同时双工的发明可以追溯至2006年北京大学提出的同频同时隙双工概念。该发明首次将基站的发射信号和接收信号设置在同一频率和同一时隙上，全面地考虑了下行信道信号对上行信道的干扰，即本基站发射机和邻小区基站发射机对本小区基站接收机的干扰。新系统设置了一个信号预处理单元，利用有线连接获得上述发射机信号，使得来自空中接口的发射机干扰成为已知干扰，并设计了相应的射频干扰消除器。在2009年重大专项支持下，北京大学实现了35dB的双工干扰消除。经过随后努力，又实现了超过80dB的双工干扰消除器，并试验完成了室外单基站100m范围的覆盖。这一成功不仅证明了同频同时双工技术的可行性，而且为同频同时双工系统的实现奠定了实验基础。国外相关同频同时全双工技术的报道最早见于2010年的单信道全双工（SingleChannelFullDuplex,SCFD）的试验演示，它描述了Stanford大学在IEEE802.15.4（Zigbee）的协议下，开发的点对点全双工双向通信演示，据称当时节点的双工干扰消除能力达到73dB，通信距离达到2m左右。2011年，Rice大学的研究人员也报道了SCFD的研究结果，他们利用射频与数字联合的消除方法，实现了39dB双工干扰消除，并利用天线隔离技术增加了39dB的衰减，总双工干扰抑制为78dB。Rice大学更多研究表明，当双工干扰增大时，射频技术与数字技术的联合消除干扰能力也随之增强；但是，当射频干扰消除已经足够好的时候，再加入基带干扰消除，反而可能导致残余双工干扰加大，他们将这个现象解释为基带干扰消除技术中的信道估计误差所致，为此还提出一种自适应的基带干扰消除技术。笔者认为，上述关于射频技术与数字技术联合干扰消除的最佳结合问题，有待进一步研究。2同频同时全双工节点同频同时全双工节点的结构如图1所示，节点基带信号经射频调制，从发射天线发出，而接收天线正在同频同时全双工技术浅析焦秉立马猛北京大学信息科学技术学院摘要同频同时全双工是无线通信业界颇为关注的一项新兴技术。与传统的频分双工和时分双工相比，同频同时全双工可以将频谱效率提高一倍。本文介绍了同频同时全双工的基本概念、工作模式及双工干扰消除方法，并简述了北京大学新近开发的演示系统。关键词同频同时全双工干扰消除演示系统··29□TELECOMMUNICATIONSNETWORKTECHNOLOGYNo.11EXPERTVIEWPOINT接收来自期望信源的通信信号。由于节点发射信号和接收信号处在同一频率和同一时隙上，接收机天线的输入为本节点发射信号和来自期望信源的通信信号之和，而前者对于后者是极强的干扰，我们定义这个干扰为双工干扰（DuplexInterference，DI）。按照信道分类，DI可以分为发射天线到接收天线的直达波和经过多物体反射的多径到达波。通常DI比来自远端的期望信号强很多，以至于期望信号可能被完全淹没在DI中。或者说接收机可能处于信噪比极其低的环境中，甚至根本无法通信。研发高效DI消除器是实现同频同时全双工系统的关键。一般来讲，DI消除得越多，系统频谱效率增益越大，如果DI被完全消除，则系统容量提升一倍。到目前为止，DI消除方法有天线抑制法、射频干扰消除法和基带干扰消除法3种，下面将逐一进行介绍。2.1天线抑制方法天线抑制方法是将发射天线与接收天线在空中接口处分离，从而降低发射机信号对接收机信号的干扰，它包括：拉远发射天线和接收天线之间的距离：采用分布式天线，增加电磁波传播的路径损耗，以降低DI在接收机天线处的功率；直接屏蔽DI：在发射天线和接收天线之间设置一微波屏蔽板，减少DI直达波在接收天线处泄漏；采用鞭式极化天线：令发射天线极化方向垂直于接收天线，有效降低直达波DI的接收功率；配备多发射天线：调节多发射天线的相位和幅度，使接收天线处于发射信号空间零点以降低DI，如图2（a）所示的两发射天线和一接收天线的配置，其中两发射天线到接收天线的距离差为载波波长的一半，而两发射天线的信号在接收天线处幅度相同相位相反；配置多接收天线：接收机采用多天线接收，使多路DI相互抵消，如图2（b）所示的两接收天线和一发射天线的配置，两接收天线分别距发射天线的路程为载波波长的一半，因此两个接收天线接收的DI之和为零。另外，还有更多采用天线波束赋形抑制DI的方法。采用上述天线抑制的方法，一般可将DI降低20～40dB。2.2射频干扰消除方法射频干扰消除技术既可以消除直达DI，也可以消除多径到达DI。图3描述了一个典型的射频干扰消除器，图下方所示的两路射频信号均来自发射机，一路经过天线辐射发往信宿，另一路作为参考信号经过幅度调节和相位调节，使它与接收机空中接口DI的幅度相等、相位相反，并在合路器中实现ID的消除。复杂射频消除器见于对OFDM多子载波DI消除方法，它将干扰分解成多个子载波，并假设每个子载波上的信道为平坦衰落。该方法先估计每个子载波上幅值和相位，对有发射机基带信号的每个子载波进行调制，使得它们与接收信号幅度相等、相位相反，再经混频器重构与DI相位相反的射频信号，最后在合路器中消除来自空口的DI。一般讲，射频干扰消除的目的是缓解系统对模拟/数字转换器过饱及信号幅度过大而引起非线性效应的压力。高效的射频消除，将极大地降低系统对数字消图1同频同时全双工节点结构图图2方向性天线··30《电信网技术》2013年11月第11期专家视点除器数/模转换器位数的要求，并自动改善数字干扰消除器的性能。2.3数字干扰消除方法在一个同频同时全双工通信系统中，通过空中接口泄露到接收机天线的DI是直达波和多径到达波之和。射频消除技术主要消除直达波，数字消除技术则主要消除多径到达波。而多径到达的DI在频域上呈现出非平坦衰落特性。图4为一个服从复高斯分布的非平坦衰落DI，其中横坐标为频率，纵坐标为DI幅度，H为系统带宽。在数字干扰消除器中设置一个数字信道估计器和一个有限阶（FIR）数字滤波器。信道估计器用于DI信道参数估计；滤波器用于DI重构。由于滤波器多阶时延与多经信道时延具有相同的结构，将信道参数用于设置滤波器的权值，再将发射机的基带信号通过上述滤波器，即可在数字域重构经过空中接口的DI，并实现对于该干扰的消除。此外，因为DI是已知的，所以对它的消除也可以通过一个自适应滤波器完成。3同频同时双工最新进展2013年6月，北京大学率先实现了同频同时双工单小区试验演示系统，该系统包括一个基站和两个移动终端：基站工作方式为同频同时全双工，其覆盖直径为100m，终端为TDD模式，试验场地位于北京大学理科2号楼东侧。系统框架如图5所示，其带宽效率为TDD系统的两倍。我们以基站与两个终端通信为例，解释系统带宽效率的提升如下（见图6）：在第一个时隙上，基站发射给终端1信号，接收终端2的信号；在第二个时隙上，基站发射给终端2信号，接收终端1信号，总共用2个时隙完成了终端1和终端2各一次双工通信。而传统TDD系统则需要至少4个时隙完成。图3射频干扰消除的典型结构图4经历频率选择性衰落信道的DI图5基站全双工、终端半双工系统示意图··31□TELECOMMUNICATIONSNETWORKTECHNOLOGYNo.11EXPERTVIEWPOINT基站同频同时全双工携终端TDD工作的优点在于避免了在终端（由于体积小、信号处理能力等限制）使用同频同时双工技术的困难，极大地提高了系统的可行性。而其缺点是可能引入终端之间的干扰，例如：一个正在接收下行信道信号的终端可能遭遇一个工作在上行信道终端的干扰。这个问题称为终端对终端的干扰。然而，终端辐射功率较小，而且它们天线位置较低，信号路径损耗大，所以其辐射干扰范围小。在实际系统中，我们可以利用调度的方法，选择可能干扰的两个终端距离相对较远，从而避免这种干扰的影响。北京大学的演示系统中，基站处于中心，两个终端与基站在同一直线上，并分别距离基站50m，系统采用OFDMA接入方式、工作频率为1.9GHz，带宽为12.5MHz，信号调制为QPSK调制。基站天线高位5.0m，终端天线高度为1.5m，信号处理器由Ni设备和GPU联合完成，系统基站照片见图7。基站在接收一个终端发来的视频的同时，发射数据包给另一个终端，系统测试了基站和终端的通信性能。结果表明：接收信号星座图清晰，视频传播流畅（详见图8、9）。4结束语同频同时全双工是一项极具潜力的新兴无线通信技术，已受到了学术界和产业界的广泛关注。笔者简述了这种技术的基本原理和DI消除的基本方法，并简要介绍了北京大学新近研究成果。同频同时全双工把干扰消除方法引入双工模式的实现，开拓了提高系统容量的新思路，但目前尚需作更多研究，例如MIMO和组网等相关问题。我们相信，随着研究和开发工作的不断深入，这项新技术将会作为提高频谱效率的方法而被广泛应用。图6两时隙完成两终端与基站通信双工时隙图图7演示系统基站照片图8基站接收信号的星座图图9基站接收视频截图（收稿日期：2013-08-18）··32