【導(dǎo)讀】當(dāng)發(fā)射機發(fā)送某個信號時，其中的部分能量會被自身的接收裝置接收到。如果正好發(fā)送與接收信號同頻率，就會產(chǎn)生干擾。為了能正確解碼所需要接收的信號，就要求我們的自干擾消除性能。目前世界上所研究的都是多級消除，即天線干擾消除、射頻干。擾消除、數(shù)字干擾消除等來達到更好的消除性能。

　　

【正文】 信號發(fā)射的是已經(jīng)經(jīng)過了 ? 相移的兩路信號，然后把接收 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 27 天線置于發(fā)射天線中間，理論上來說這兩種方法的效果是一樣的 ，并且相移技術(shù)并不需要衰減器。 為了解除上述疑惑，我們可以做相關(guān)實驗。實驗結(jié)果圖如下所示。 圖 4 中，兩幅圖都是接受信號功率的空間等高線分布圖。其中，左圖的實驗參數(shù)是兩路發(fā)射信號的功率相等，但是相移了 ? ；而 右邊的圖表示兩路信號發(fā)射功率不相等，但是沒有相移。由圖可以看出，這兩種消除方法的“空口”位置不同，功率相等的兩路信號形成的“空口”位置比較對稱，基本在中心的直線上；而功率不相等的兩路信號形成的“空口”位置規(guī)律不太明顯（其實也是可以利用曲線方程來將其“空口”位置表達出來的），但是這兩種方案都能有效地形成“空口 ”，在“空口”位置放置接收天線的話，都可以達到很好的天線消除效果。 圖 4 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 28 圖 5 如果從較大尺寸的空間來觀察的話，以上兩種情況的差別會更明顯。圖 5 所示的是單根發(fā)射天線在 30m 空間范圍內(nèi)產(chǎn)生的信號強度等高線，理想情況下是比較規(guī)則的同心圓，它可以作為比較以上兩種天線消除方案性能的基準(zhǔn)。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 29 圖 6 圖 6 左邊所示的實驗結(jié)果圖是圖 4 左圖在大范圍空間的情況，其實驗參數(shù)設(shè)置與圖 4 的設(shè)置完全相同，只是所取的分析范圍為 030m。很明顯的可以看出，即使是在正常通信范圍內(nèi)，也會因為干涉相消 而出現(xiàn)“空口”位置，從而能很大程度地減弱接收到的干擾信號。 圖 6 右圖的兩路發(fā)射信號功率不等的情況，其中一根天線的發(fā)射功率比另一根衰減了 6dB，并且兩路信號相位是同步的，在 030m的范圍內(nèi)可以看到接收到的信號功率分布情況。相對于圖 5 所示的單根發(fā)射天線的干擾信號強度分布，這種方案仍然能達到更好的干擾消除效果。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 30 圖 7 圖 8 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 31 由波的干涉我們知道，當(dāng)兩路電磁波相遇會發(fā)生干涉，如果兩列波頻率相同，會產(chǎn)生穩(wěn)定干涉波形，并且在某些點振動加強某些點減弱。對于發(fā)射功率相等的自干擾天線消除的實驗，如果我們進行觀測的 空間范圍比較大，也就是說接收天線距離兩根發(fā)射天線都比較遠，那么兩路發(fā)射信號與接收天線之間的距離差就可以忽略不計，這時候兩路干擾信號的衰減大致可以認為是相同的，即振幅相等。理論上來說，在完美的“空點”處，相位恰好相差 ? 的話，干擾信號會相互完全抵消，這樣接收天線收到的自干擾信號可以達到零功率。相反，如果兩路信號發(fā)射功率不相等，由于接收天線處的兩路信號振幅不等，即便在“空點”處相位差恰好是 ? ，干擾信號仍然不能完全相互抵消。 小結(jié) 由以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，如果利用天線消除方案來進行自干擾消除，不管接收 天線在哪個位置，至少都可以比單根天線帶來的干擾減少 6dB。在實際網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境中，如果將接受天線盡可能準(zhǔn)確地放在空口位置，由于兩路發(fā)射信號的相互抵消，會大大降低接收天線處的自干擾，最高可達到 30dB以上，并且不會對其他位置的信號強度造成影響。 第四章 射頻干擾消除 射頻消除概念 自干擾信號經(jīng)過天線干擾消除后，干擾信號強度大幅減小，但是為了消除殘留干擾，我們還可以進行后續(xù)干擾消除操作，射頻干擾消除就是消除手段之一。射頻干擾消除實質(zhì)上是利用噪聲消除芯片來消除干擾。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 32 射頻干擾消除 實驗效果 在斯坦福大學(xué)的一項研究中，科研人員采用 QHx220 噪聲消除芯片來作射頻干擾消除的實驗， QHx220 芯片可以從接收信號中消除已知的干擾信號，并且還能改變干擾參考信號的振幅和相位來對接收信號進行干擾匹配。在實驗中，將從接收天線傳輸過來的接收信號以及已知的自干擾參考信號（即經(jīng)過射頻分流器的發(fā)射信號）作為輸入，然后從接收信號中減去自干擾信號作為輸出。 圖 9 圖 9 所示是射頻消除實驗結(jié)果圖，它展示了三種情況下的接收天線頻譜功率瞬時圖 ——— 三條曲線分別代表了只有一根發(fā)射天線的接收信號功率、應(yīng)用了天線干擾消除的接收信號功率以及天線干擾消除和射頻消除兩種消除方法同時運用的接收信號功率。由圖可以看出，應(yīng)用射頻消除后，接收到的干擾信號在中心 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 33 頻率處比單純的只用天線干擾消除又減少了 20dB，比沒有采用自干擾消除技術(shù)（也就是單根發(fā)射天線）的干擾強度更是減少了 52dB 之多。 射頻干擾消除利用噪聲消除電路來對接收信號進行進一步干擾消除，這樣可以把干擾信號強度降到更低，有利于后期的數(shù)字干擾消除對自干擾信號更徹底的消除，從而為我們的最終目的 ——— 同時同頻全雙工通信掃除了自干擾這一最大的“障礙”。 第五章 數(shù)字干 擾消除 數(shù)字干擾消除原理 一般來說，數(shù)字干擾消除是一系列自干擾消除措施的最后一步，是對前期的天線干擾消除和射頻干擾消除的補充。傳統(tǒng)上，數(shù)字干擾消除時，接收機會在兩個發(fā)射機發(fā)送沖突的時候從期望的那一個發(fā)射機提取信息。接收機需要先對不期望的那個發(fā)射機數(shù)據(jù)包進行解碼，然后對其按到達接收機 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的鏈路系數(shù)在數(shù)字域上進行重建，再將其從接收的原始沖突信號中減去，剩下的有用信號再解調(diào)得到期望的發(fā)射機的信息。在同頻全雙工系統(tǒng)進行數(shù)字自干擾消除時，自干擾的信息為已知，因此相比傳統(tǒng)的數(shù)字消除省去了先 解出不期望的那個發(fā)射機信息的步驟。 當(dāng)干信比小于 ADC 動態(tài)范圍，并且未對 ADC 造成前端阻塞的情況下，就可以通過 ADC 采用數(shù)字干擾消除方法消除干擾，然后作進一步解調(diào)處理，實現(xiàn)同頻全雙工通信。 數(shù)字干擾消除理論推導(dǎo) 為了弄清數(shù)字干擾消除的過程，我們首先建立一個使用 ADC 量化進行數(shù)字對消實現(xiàn)同頻全雙工的 MQAM 系統(tǒng)模型。 系統(tǒng)模型 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 34 待分析的系統(tǒng)模型如圖 10 所示，遠端設(shè)備發(fā)送過來的信息 s(n)經(jīng)過 MQAM 調(diào)制之后形成 s(t)，經(jīng)遠端設(shè)備上的發(fā)送天線 Txs 發(fā)射，經(jīng)歷路徑 hs 后到達本 地設(shè)備的接收天線 Rx；本地設(shè)備對外發(fā)送的信息 i(n)經(jīng)過 MQAM 調(diào)制之后形成 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 35 圖 10 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 36 i(t) ，經(jīng)本地設(shè)備上的發(fā)送天線 Txi 發(fā)射，經(jīng)歷路徑 hi 后也到達本地設(shè)備的接收天線 Rx，形成自干擾。接收天線 Rx 接收到的信號為 ( ) ( ) ( ) ( )sir t h t h t n t? ? ? 其中 n(t)為加性高斯白噪聲。 自干擾 ()iht 與有用信號 ()shst 在頻譜上有重疊，為了從接收信號 r(t) 得出有用信息 s(n) ，需要根據(jù)已知的干擾信息 i(n) ，重建干擾信號 ()iht ，將其消 除，得到 ( ) ( )sh s t n t? ，然后再根據(jù)一系列的門限值進行判決，從而解調(diào)輸出~()sn 。因為自干擾發(fā)射天線 Txi 與接收天線 Rx 往往固定在本地設(shè)備上，存 在直射路徑，且影響主要為直射路徑，可將 hi 視為固定值并測量得到，從而根據(jù)干擾信息 i(n) 及調(diào)制方案即能重建干擾信號 ()ihit 。消除干擾再進行判別 的整體效果，是根據(jù)干擾信息 i(n) 建立了接收信號 r(t) 到輸出信息 ~()sn 的一個映射，一定范圍的接收值對應(yīng)到某個輸出信息上。因此，消除干擾再進行判 別可以視為一個新的直接判決過程，消除干擾等效于改變判決門限，新的判決門限為原判決門限作了干擾值對應(yīng)的平移。在采用 ADC 量化再判決的解調(diào)具體實現(xiàn)中，則是根據(jù)干擾信息建立了從 ADC 量化 值到輸出信息 ()iht 的一個映射，一定范圍的量化值對應(yīng)到某個輸出信息上，實際判決門限為各量化值區(qū)段左右兩邊的量化門限。均勻量化 ADC 的量化門限為根據(jù)量化方案與 ADC 位數(shù)等間距設(shè)置，實際判決門限只能從中選擇，而最佳判決門限為任意值，因此實際判決門限與最佳判決門限不能保證全部一致，此誤差即為量化帶來的誤差，從而會增大誤判率，惡化系統(tǒng)性能。 量化方案及誤碼率的推導(dǎo) 工程上 ADC 器件通常為單極性均勻量化，設(shè)其位數(shù)為 b，其傳遞函數(shù) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 37 如圖 10 所示，其最左邊的量化門限在 1(1/2 )b FS? 處，最右邊的量化門限在1(1 3 / 2 )b FS?? 處，其中 FS 為滿量 程電壓。 圖 11 單極性 b 位 ADC 傳遞函數(shù) ADC 前引入系數(shù)固定為λ的放大器，并通過加法器疊加一固定偏移量 c，使得包含干擾的信號可以映射到 ADC 的量化區(qū)間內(nèi)，并使得判決門限 minT 映射到量化門限 1(1/2 )b FS? 處，判決門限 maxT 映射到量化門限 1(1 3 / 2 )b FS?? 處，則放大調(diào)整后的信號為 ( ) ( )IA Ir t r t c??? 其中λ可求得 111()22b FS? ??? 如此量化方案設(shè)置，相當(dāng)于將 ADC 的量化門限逆映射到了放大器前接收信 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 38 號電平的 minT 與 maxT 之間。等效量化間隔為 ( 2 2 ) ( 2 1 )22mmsiEbhhL ? ? ?? ? 在本量化方案下，為使得誤碼率最小，每個實際判決門限選擇的是離對應(yīng)的最佳判決門限最近的量化門限。 數(shù)字干擾消除 分析與小結(jié) 目前斯坦福大學(xué)所做的的數(shù)字干擾消除大約可以達到 10dB的消除效果， 但這并未達到 SIC 所要求的 20dB 以上的目標(biāo)。 為了達到更好的消除效果， 可以通過信道估計來改善性能。由于實際的自干擾信號與產(chǎn)生的發(fā)射信號不 同（由于失真），所以從接收信號中抵消掉信道估計之后的信號會比直接抵 消掉原始發(fā)射信號效果更好，至少可以滿足 20dB 的消除目標(biāo)。 第六章 結(jié)束語 自干擾消除是實現(xiàn)同時同頻全雙工通信必須解決的問題，也是當(dāng)前研究的熱點。本文通過分析科學(xué)前沿的論文資料，總結(jié)出自干擾消除的幾種方法：天線干 擾消除、射頻干擾消除、數(shù)字干擾消除。雖然單一運用某種消除技術(shù)無法完全滿足同時同頻全雙工所需要達到的干擾消除性能，但實踐中一般多種干擾消除方法結(jié)合運用，來達到更好的消除性能。 目前世界上有些科研機構(gòu)較早就開始做自干擾消除實驗，如加州大學(xué)，萊斯大學(xué)，斯坦福大學(xué)，以及國內(nèi)的電子科大今年來都有對次方面進行研究。其中斯坦福大學(xué)和國內(nèi)的電子科大成果顯著，在結(jié)合運用了空域、射頻域、數(shù)字域三種自干擾抵消技術(shù)之后，干擾消除能力已經(jīng)突破 100 dB，這已經(jīng)基本符合了全雙工通信所要求的界限，所以理論上來說在全雙工模式工作下，可以 對接收信號進行正常解碼。 由于目前自干擾消除技術(shù)還處于初生階段，其性能和效果仍然有待提高。相信通過世界各國的研究人員不斷的實驗，會有更多更好的自干擾消除技術(shù) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 39 被提出來，這將會大大推進全雙工通信的普及，帶來前所未有的經(jīng)濟效益和資源效益。 參考資料 (1). Choi J I, Jain M, Srinivasan K, et al. Achieving single channel, full duplex wireless munication[C]. Proceedings of the 16th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom39。10), New York, 2020: 1 12. (2).Steven Hong, Joel Brand, Jung Il Choi, Mayank Jain, Jeff Mehlman, Kumu Networks Sachin Katti, and Philip Levis Kumu Networks and Stanford University. Applications of SelfInterference Cancellation in 5G and Beyond. (3).Dinesh Bharadia, Emily McMilin, Sachin Katti,Stanford Duplex ’13, August 12– 16, 2020. (4).Shyamnath Gollakota and Dina Katabi MIT Decoding: Combating Hidden Terminals in Wireless Networks. (5).張志亮，羅龍，邵士海，潘文生，沈瑩，唐友喜，電子科技大學(xué)通信抗 干擾技術(shù)國家級重點實驗室 .ADC 量化對同頻全雙工數(shù)字自干擾消除的 誤碼率性能分析 .電子與信息學(xué)報，第 35 卷第 6 期， 2020 年 6 月