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摘要:

帶內(nèi)全雙工技術(shù)已經(jīng)成為提高無線通信系統(tǒng)吞吐量的一種有效方案，然而，該技術(shù)中存在的自干擾信號將嚴重影響帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)的性能。首先分析了現(xiàn)有的無線帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中存在的自干擾，并根據(jù)干擾的來源將干擾信號分為三類干擾源。然后，分析了現(xiàn)有的一些自干擾抑制技術(shù)的抑制效果及影響因素，并據(jù)此明確后續(xù)研究的方向。

關(guān)鍵詞:

帶內(nèi)全雙工;自干擾;干擾抵消

引言

隨著信息化時代的前進，無線網(wǎng)絡已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的部分。無線網(wǎng)絡的不斷改革對于本已緊缺的無線頻譜資源的需求日漸旺盛，進而要求通信系統(tǒng)具備更高的頻譜效率。在提高頻譜效率的諸多途徑中，帶內(nèi)全雙工(In-bandFull-Duplex，ibfd)獲得了較多的關(guān)注。當今通信系統(tǒng)中的終端大多可同時作為發(fā)射機和接收機，然而，這些設備通常以半雙工或帶外全雙工的方式工作，這意味著它們要么在不同時間段要么在不同頻段進行數(shù)據(jù)收發(fā)。一旦實現(xiàn)了同時在同頻段進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，理論上即可加倍無線通信系統(tǒng)的頻譜效率。目前，帶內(nèi)全雙工沒有被廣泛應用的主要原因在于自干擾的存在。自干擾指的是IBFD終端發(fā)射機發(fā)射的信號對接收機接收的信號產(chǎn)生干擾。實現(xiàn)了IBFD自干擾的抵消，即可在理論上實現(xiàn)帶內(nèi)全雙工。本文重點分析無線帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中不同類型的自干擾以及現(xiàn)有的一些自干擾抑制技術(shù)。

1IBFD系統(tǒng)中自干擾分析

本部分詳細介紹IBFD無線通信系統(tǒng)中不同類型的自干擾。為了更好地分析IBFD自干擾，以圖1所示的IBFD終端模型［1］結(jié)合實際的工作環(huán)境來闡述這一問題。圖1所示IBFD終端模型采用了共用天線(環(huán)形器)的方式。發(fā)送信號過程中，IBFD終端先將發(fā)送信號流進行編碼和調(diào)制，這些數(shù)字信號先后經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過高頻載波器變?yōu)楦哳l信號，然后經(jīng)過高功率放大器(HPA)以及環(huán)形器，最后通過發(fā)送天線輻射出去。接收過程中，接收信號經(jīng)過環(huán)形器之后，也要經(jīng)過前述類似的過程。在圖1中指出了3種自干擾類型，下面分別介紹。

1．1環(huán)形器信號泄漏

環(huán)形器是一個多端口器件，其中電磁波的傳輸只能沿單方向環(huán)行，反方向是隔離的。在近代雷達和微波多路通信系統(tǒng)中都要用單方向環(huán)行特性的器件。環(huán)形器的原理是磁場偏置鐵氧體材料各向異性特性［2］，改變磁場偏置方向就可以相應地改變環(huán)行方向。環(huán)形器的反向隔離只是理想情況，實際中環(huán)形器不可能做到絕對的隔離，因此會造成不同程度的信號泄漏。

1．2多天線間直接路徑干擾

由于IBFD終端多天線距離較近，當某個接收天線要接收的信號頻率與其他天線發(fā)射信號的頻率相同或相近時即會產(chǎn)生干擾。目前針對天線間的干擾一般采用的方法是將路徑損耗、交叉極化以及定向天線等技術(shù)聯(lián)合起來進行干擾消除。1．3外界反射路徑干擾當IBFD天線發(fā)射出的信號經(jīng)過外界物質(zhì)反射回來便可能被接收器接收，造成反射路徑干擾，并且室內(nèi)環(huán)境所造成的反射干擾會強于室外環(huán)境。雖然反射路徑干擾在IBFD系統(tǒng)的全部干擾中只占據(jù)了較小的一部分，但卻是較為復雜的一部分，因為在系統(tǒng)設計時是無法知道信道特性的。

2IBFD系統(tǒng)自干擾研究及成果

本節(jié)討論現(xiàn)有對于IBFD系統(tǒng)中各個部分的干擾所做的研究及其成果，主要包括干擾抑制的程度以及其影響因素。

2．1環(huán)形器信號泄漏

這部分介紹三種不同的環(huán)形器:鐵氧體微帶Y型環(huán)形器、CMOS有源環(huán)形器和微帶方向耦合器環(huán)形器。

2．1．1鐵氧體微帶

Y型環(huán)形器現(xiàn)代通信中，微波鐵氧體環(huán)形器發(fā)揮了重要作用。根據(jù)HARTWIGCP［3］的理論，環(huán)形器的最大帶寬正比于鐵氧體薄膜的厚度和整體厚度的比值，參考文獻［4］提出了一種改進的鐵氧體薄膜材料的微帶Y型環(huán)形器，由于底部引入了小洞，鐵氧體薄膜的厚度和環(huán)形器總厚度之比顯著減小。參考文獻［4］給出的仿真結(jié)果表明，在30．5GHz附近，環(huán)形器的插入損耗低于1dB，隔離度大約為28dB;最大隔離度在26．4GHz附近約為44dB;最小插入損耗在25．7GHz附近約為27dB。

2．1．2CMOS有源環(huán)行器

參考文獻［5］介紹了一種有源CMOS環(huán)形器，該環(huán)形器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該環(huán)形器主要由3個4端口耦合器和3個雙向放大器組成環(huán)路。圖2有源CMOS環(huán)形器結(jié)構(gòu)圖根據(jù)參考文獻［5］中的仿真結(jié)果可以得到，在60～75GHz范圍內(nèi)插入損耗大約是7．4dB，62～80GHz的隔離度約是18dB，并且未來可以通過對有源設備和電容器等的損耗進行更有效的建模來獲得更高的環(huán)形器性能。

2．1．3微帶方向耦合器環(huán)形器

傳統(tǒng)微帶方向耦合器環(huán)形器［6］，由于非均勻介電材料以及不同的模態(tài)相速度導致其隔離度較低，參考文獻［7］提出了改進型微帶方向耦合器環(huán)形器。該環(huán)形器不僅采用了相速補償?shù)姆椒ǎ铱紤]到了方向耦合器自身以及所用天線的輸入阻抗。根據(jù)參考文獻［7］的仿真結(jié)果可知，在910MHz附近，傳統(tǒng)方向耦合器的隔離度約為23．5dB，而改進型的環(huán)形器則約為58．3dB;在908．5MHz附近達到了最高的68．8dB，這已經(jīng)提高了超過45dB的抵消程度。

2．2多天線間直接路徑干擾

針對多天線間直接路徑干擾所采取的措施主要有天線路徑損耗抵消技術(shù)、收發(fā)天線交叉極化和定向天線技術(shù)。

2．2．1天線路徑損耗抵消技術(shù)

目前廣泛采用的天線抵消技術(shù)利用兩個或多個發(fā)射天線產(chǎn)生的相消干擾來達到干擾抵消的目的。圖3是天線干擾抵消技術(shù)天線示意圖［8］，λ為發(fā)射信號波長，d和(d+λ/2)分別為接收天線與兩根發(fā)射天線的距離，由于相差半個波長，因此接收天線接收到的發(fā)射信號將會有π的相位差，疊加起來理論上就可抵消干擾。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的衰減程度大約在20dB，分析可知，實際抵消效果對收發(fā)天線間距離以及發(fā)射信號的幅度比較敏感。因此要提高天線抵消技術(shù)的性能必須盡可能確保天線間距離滿足條件，信號幅度匹配。

2．2．2定向天線技術(shù)和天線交叉極化

定向天線是指在一定角度范圍內(nèi)電磁波輻射較強，而在其他的方向上發(fā)射電磁波為零或極小的一種天線。利用這一原理，只要收發(fā)天線互不在對方的輻射角度范圍內(nèi)，則可較高程度地減少天線間的自干擾。天線交叉極化技術(shù)是指發(fā)射天線和接收天線的極化方式不同，即一個水平極化、一個垂直極化，這樣發(fā)射天線發(fā)射的信號就不會被接收天線接收。參考文獻［9］中，研究人員做了多組不同參數(shù)的實驗，結(jié)果表明，采用定向天線和交叉極化技術(shù)組合的方案能夠?qū)崿F(xiàn)超過70dB的自干擾抑制效果，然而這只是在較低反射的室內(nèi)，一旦環(huán)境反射干擾較強時，自干擾抵消效果將大打折扣，最高約為45dB。

2．3外界反射路徑干擾

前述干擾抑制技術(shù)的最大阻礙大都來自反射路徑干擾。反射路徑的干擾是IBFD系統(tǒng)各種自干擾中最復雜也是最難處理的，因為它的信道特性在系統(tǒng)設計時是不可知的。關(guān)于反射路徑干擾的抑制目前還沒有較好的方法，但是本文認為通過對反射路徑信道建模之后是可以抵消自干擾信號的，當然這也需要對反射信道進行精確的信道估計。

3結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有的無線帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中存在的自干擾，并將干擾信號分成了三類干擾源。另外，在基于前人廣泛研究的基礎上，簡要介紹了現(xiàn)有自干擾抑制技術(shù)，包括其干擾抵消效果和影響因素。最后，提出抑制自干擾并且實現(xiàn)IBFD技術(shù)的關(guān)鍵在于實現(xiàn)反射路徑干擾的抑制，從而確立了下一步研究的方向。

參考文獻

［6］徐立勤，仲進．用于LTE移動通信的寬帶定向耦合器設計［J］．微型機與應用，2015，34(3):60-62，66．

作者：葉偉 單位：南京郵電大學