一種線性化的全雙工MIMO收發(fā)器設(shè)計

張志亮 沈　瑩 邵士海 潘文生 唐友喜

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一種線性化的全雙工MIMO收發(fā)器設(shè)計

張志亮①②沈瑩*①邵士海①潘文生①唐友喜①

①(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室 成都 611731)②(四川大學(xué)錦城學(xué)院電子信息工程系 成都 611731)

針對全雙工MIMO收發(fā)器發(fā)射通道非線性以及接收通道存在強烈自干擾的問題，該文提出一種使發(fā)射通道線性化并通過射頻多抽頭重建與數(shù)字重建消除自干擾的具有較低硬件成本與軟件復(fù)雜度的設(shè)計方案：(1)基于改進的串?dāng)_消除和數(shù)字預(yù)失真(CTC-DPD)算法并復(fù)用反饋通道進行去耦合和數(shù)字預(yù)失真使發(fā)射通道線性化、等增益；(2)在接收通道加入可調(diào)衰減器并用多維梯度下降法基于接收的殘留自干擾功率最小原則調(diào)整抽頭參數(shù)；(3)基于頻域信道估計進行數(shù)字自干擾重建。實現(xiàn)的20 MHz帶寬LTE全雙工MIMO通信樣機，發(fā)射通道經(jīng)過線性化后帶內(nèi)更平坦，而帶外噪聲抑制了約30 dB。射頻和數(shù)字消除一輪調(diào)整共耗時約0.17 ms，總消除能力約75 dB。16QAM映射時全雙工雙向數(shù)據(jù)速率總和220 Mbps，相對單向時的110 Mbps實現(xiàn)了頻譜效率的翻倍。通信樣機證明了該方案的可行性。

無線通信；串?dāng)_；非線性；全雙工；MIMO

1 引言

全雙工MIMO(Multiple Input Multiple Output)既擁有MIMO充分利用空間資源提高系統(tǒng)信道容量的優(yōu)點，又擁有全雙工倍增頻譜效率提高系統(tǒng)信道容量的優(yōu)點，近年來，得到了業(yè)界的廣泛研究關(guān)注。

在全雙工MIMO收發(fā)器設(shè)計中，存在著兩個關(guān)鍵問題，一是發(fā)射通道線性化，要解決的是功放的非線性與記憶效應(yīng)[8,9]以及受此失真影響的功放前的串?dāng)_(即發(fā)射通道之間的耦合)，二是全雙工自干擾消除，要解決的是將發(fā)射信號對本地接收機造成的同頻自干擾消除。單純地解決功放失真問題，存在著多種的數(shù)字預(yù)失真(Digital Pre-Distorter, DPD)方案[8,9]。同時解決功放失真與受此失真影響的功放前串?dāng)_的問題，則有CO-DPD(CrossOver DPD)[11], CO-NNPD(CrossOver Neural Network Pre-Distorter)[12], CTC-DPD(Cross-Talk Cancelling DPD)[13,14]等方案。然而，CO-DPD與CO-NNPD直接通過增加預(yù)失真器補償受失真影響的串?dāng)_，需要的預(yù)失真器較多(發(fā)射通道數(shù)的平方個)，算法較復(fù)雜，并且需要同時接收各發(fā)射通道的反饋，硬件成本較高；CTC-DPD通過補償串?dāng)_(去耦)后再作預(yù)失真，需要的預(yù)失真器較少(發(fā)射通道數(shù)個)，但是也需要同時接收各發(fā)射通道的反饋，硬件成本較高，并且其耦合參數(shù)估計與DPD參數(shù)提取存在誤差傳遞的問題，精度受到影響。對于自干擾的消除，可以分為模擬消除與數(shù)字消除兩類。模擬消除可進一步分為天線消除[6]、額外發(fā)射通道重建消除[5]、多抽頭重建消除[4]。其中，天線消除適用于窄帶信號而對寬帶信號效果較差，且對輔助天線擺放位置的精度要求較高，實際中的擺放位置誤差使得其性能有明顯下降；額外發(fā)射通道重建消除需要為每個接收通道增加一個重建發(fā)射通道，相應(yīng)的硬件成本較高；多抽頭重建消除通過使用延遲線、可調(diào)衰減器構(gòu)成的各抽頭去重建合成射頻自干擾信號，可做到較低的硬件成本和較高的性能，但是在抽頭參數(shù)合適設(shè)置前，強烈的射頻自干擾仍會使得接收通道飽和堵塞，給抽頭參數(shù)調(diào)整帶來困難。自干擾如果進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)的動態(tài)范圍內(nèi)，則可通過數(shù)字方法進一步消除，在發(fā)射通道線性化的前提下，可簡單通過在頻域估計自干擾信道并依此重建消除[7]。

本文給出了一種線性化全雙工2×2 MIMO收發(fā)器的設(shè)計，并實現(xiàn)了樣機測試。所設(shè)計的收發(fā)器具有較低硬件成本與軟件復(fù)雜度，其特征及創(chuàng)新之處在于：(1)基于改進的CTC-DPD算法并復(fù)用反饋通道進行去耦合和數(shù)字預(yù)失真使發(fā)射通道線性化、等增益，其中改進的耦合參數(shù)估計方法避免了誤差傳遞與功放非線性的干擾；(2)所使用的固定延時調(diào)整衰減的多抽頭射頻自干擾消除結(jié)構(gòu)，通過增加接收通道可調(diào)衰減器直接使用接收通道獲取射頻消除殘留自干擾功率的反饋，并使用多維梯度下降法基于殘留自干擾功率最小原則搜索抽頭衰減參數(shù)。樣機的測試結(jié)果證明了該設(shè)計的可行性。

第2節(jié)給出了本文的2×2線性化全雙工MIMO收發(fā)器系統(tǒng)模型；第3節(jié)介紹了基于此模型實現(xiàn)的LTE(Long Term Evolution)通信樣機；第4節(jié)給出了通信樣機的測試結(jié)果；最后總結(jié)全文。

2 系統(tǒng)模型

本文提出的2×2線性化全雙工MIMO收發(fā)器模型如圖1所示，其中引入了發(fā)射通道線性化處理以及全雙工自干擾消除處理。

圖1 系統(tǒng)模型

2.1發(fā)射通道線性化

在發(fā)射通道中，數(shù)字信號將經(jīng)過線性化處理后才進行發(fā)射。線性化處理包含用于使從數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter, DAC)到功放之間的通道相互獨立的去耦處理，以及用于補償功放非線性的數(shù)字預(yù)失真處理兩部分。為降低硬件成本和算法復(fù)雜度，本方案采用的是改進了的復(fù)用反饋接收通道的CTC-DPD方案，改進之處在于使用了新的能避免功放非線性干擾并防止誤差傳遞的耦合參數(shù)估計算法，并將兩個功放DPD參數(shù)分開提取以適應(yīng)復(fù)用反饋接收通道的結(jié)構(gòu)并減少計算量。

2.1.1線性化工作原理

圖2 發(fā)射通道等效采樣基帶模型

(2)

有

(4)

由于按式(5)進行估計需要同時接收各通道的輸出，不能復(fù)用反饋接收通道，并且求得的和未被使用，所以為了減少計算量和復(fù)用反饋接收通道，和在此改為按式(6)分別估計。

2.1.2耦合參數(shù)估計算法

(8)

則功放非線性和記憶效應(yīng)的干擾會使得估計精度會有較大的惡化。

CTC-DPD算法中給出了一種耦合參數(shù)估計與數(shù)字預(yù)失真參數(shù)提取迭代提高精度的方法，即根據(jù)式(8)獲得耦合參數(shù)估計初始值后，代入式(5)獲得數(shù)字預(yù)失真參數(shù)初始值，再使用式(9)獲得耦合參數(shù)估計最終值，最后將耦合參數(shù)估計最終值代入式(5)獲得數(shù)字預(yù)失真參數(shù)最終值。

然而該算法一是存在誤差傳播的問題，初始估計的耦合參數(shù)受到功放非線性和記憶效應(yīng)的干擾有較大的誤差并且此誤差會往后傳播，雖然通過2輪迭代精度有一定提高，但誤差仍較大；二是需要同時接收各通道的輸出，不能復(fù)用反饋接收通道，且要多作一輪耦合參數(shù)和數(shù)字預(yù)失真參數(shù)估計，復(fù)雜度較高。

在此，本文使用一種能復(fù)用反饋接收通道且具有較低復(fù)雜度的基于反饋功率最小化的耦合參數(shù)2維梯度下降搜索方法。以估計為例，此時發(fā)送用于測試的恒包絡(luò)信號，記為,發(fā)送，其中代表搜索過程中的試驗值，此時有，對應(yīng)功放的輸入仍為恒包絡(luò)信號，反饋通道選擇接收并根據(jù)點樣值計算其功率，在的復(fù)平面內(nèi)搜索使得最小的值作為估計值，即

易知此問題是凸問題，因此可以使用梯度下降法加快搜索過程[15]。

此方法能有效避免功放非線性的干擾。首先，對于特定的搜索試驗值，被測通道功放輸入具有恒包絡(luò)，此時式(1)的功放記憶多項式模型退化為

2.2 全雙工自干擾消除

在接收通道中，強烈的自干擾信號需要首先由多抽頭結(jié)構(gòu)在射頻域進行重建消除，然后再在數(shù)字域上作進一步消除。射頻重建采用固定延時調(diào)整衰減的多抽頭結(jié)構(gòu)[4]，而各抽頭衰減參數(shù)則根據(jù)接收到的射頻消除殘留自干擾功率最小的原則按多維梯度下降法[15]搜索獲取，并通過增加接收通道可調(diào)衰減器直接使用接收通道獲取射頻消除殘留自干擾功率的反饋用于降低硬件復(fù)雜度和成本。數(shù)字自干擾消除則采用了基于頻域的信道估計方法實現(xiàn)殘留自干擾的重建與消除[7]。

2.2.1射頻自干擾消除

射頻自干擾消除采用低成本的固定延時調(diào)整衰減的多抽頭結(jié)構(gòu)在射頻域進行重建消除，而各抽頭衰減參數(shù)則根據(jù)數(shù)字域上接收通道接收到的射頻消除殘留自干擾功率最小的原則搜索獲取。在實際中，雖然每個數(shù)字可調(diào)衰減器只有有限種取值，但是當(dāng)抽頭較多、衰減可取值較多時，遍歷搜索所有的可能取值也將花費較多的時間。在各抽頭衰減參數(shù)適當(dāng)設(shè)置之前，強烈的自干擾容易造成ADC飽和從而失去殘留自干擾功率變化的指示，從而無法使用多維梯度下降等一些快速搜索方法。

為了提供在系統(tǒng)的抽頭衰減參數(shù)快速搜索能力而又不過多增加硬件復(fù)雜度，本設(shè)計在接收通道疊加重建消除信號的加法器與低噪放之間加入了可調(diào)衰減器，在第1次搜索抽頭衰減參數(shù)時將其設(shè)成較大的衰減值，避免ADC飽和，在后面的正常工作階段則將衰減值設(shè)成最小，抽頭衰減參數(shù)在原來基礎(chǔ)上進行微調(diào)，從而減少對正常接收過程的影響并提高抽頭衰減參數(shù)微調(diào)時的精度。

2.2.2數(shù)字自干擾消除

(14)

(16)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

線性化全雙工2×2 MIMO LTE通信樣機的實現(xiàn)如圖3所示。其中，發(fā)射與接收天線為4根全向鞭狀天線；耦合器、多抽頭結(jié)構(gòu)(每個含4條重建徑)、射頻重建信號與接收信號合成器(加法器)、接收通道可調(diào)衰減器(使用的是1.7 dB插入損耗31.5 dB可調(diào)衰減的HMC542B[16])以及線性化反饋接收射頻復(fù)用器等由射頻消除板實現(xiàn)；功放、低噪放、本振、混頻器、濾波器等由射頻前端板實現(xiàn)；ADC, DAC由相應(yīng)的ADC, DAC子板實現(xiàn)；線性化處理、線性化參數(shù)提取、射頻重建參數(shù)提取、數(shù)字自干擾消除以及其他的基帶處理由基帶板實現(xiàn)。樣機工作在2.535 GHz中心頻率，帶寬為20 MHz，發(fā)射功率為23 dBm(LTE標(biāo)準(zhǔn)中UE最大發(fā)射功率[17])。

圖3 線性化全雙工2×2 MIMO通信樣機

4 測試結(jié)果

圖4給出了線性化前后功放輸出的功率譜密度(PSD)的對比，其中奇次項記憶多項式模型使用的記憶深度為2，非線性階數(shù)為5?？梢钥闯觯?jīng)過線性化處理后，帶內(nèi)變得更平坦，而帶外噪聲則得到了約30 dB的抑制。

圖4 發(fā)射通道線性化效果

圖5給出了射頻消除前后自干擾的PSD，其中每個多抽頭結(jié)構(gòu)使用了4條重建徑。其中20 MHz帶寬內(nèi)的自干擾功率，射頻消除前約為?15 dBm，射頻消除后約為?55 dBm，射頻消除能力約為40 dB。

圖5 射頻自干擾消除效果

圖6給出了通過軟件計算的數(shù)字消除前后自干擾的PSD。其中20 MHz帶寬內(nèi)的自干擾功率，數(shù)字消除前約為?55 dBm，數(shù)字消除后約為?90 dBm，數(shù)字消除能力約為35 dB。

圖6 數(shù)字自干擾消除效果

射頻消除和數(shù)字消除總共提供了約75 dB的消除能力，將自干擾從約?15 dBm消到了約?90 dBm。射頻消除第1次參數(shù)搜索時間約為10 ms，正常工作時的微調(diào)約為0.1 ms，而數(shù)字消除的調(diào)整時間約為0.07 ms，因此正常工作時執(zhí)行一輪射頻消除和數(shù)字消除調(diào)整的總時間約為0.17 ms。假設(shè)移動臺以120 km/h的速度運動(3GPP TS25.102 Case 3[18])，對應(yīng)測試系統(tǒng)2.535 GHz中心頻率的最大多譜勒頻移約為282 Hz，相應(yīng)的相干時間約為3.5 ms，可見自干擾消除調(diào)整所需時間遠(yuǎn)小于通信系統(tǒng)相干時間。

當(dāng)LTE采用16QAM映射，兩個節(jié)點以全雙工方式傳送數(shù)據(jù)時，各自達到了110 Mbps，雙向總和達到了220 Mbps的數(shù)據(jù)速率，相比半雙工實現(xiàn)了頻譜效率的翻倍。

5 結(jié)論

本文給出了一種基于改進的CTC-DPD算法并復(fù)用反饋通道進行去耦合和數(shù)字預(yù)失真使發(fā)射通道線性化、等增益，使用固定延時調(diào)整衰減的多抽頭結(jié)構(gòu)并利用接收通道本身作反饋進行衰減參數(shù)調(diào)整的射頻自干擾消除，使用基于頻域殘留自干擾信道估計的數(shù)字自干擾消除的全雙工2×2 MIMO收發(fā)器的設(shè)計。該收發(fā)器具有較低的硬件成本與軟件復(fù)雜度。在實現(xiàn)的2.535 GHz中心頻率20 MHz帶寬的LTE全雙工2×2 MIMO通信樣機中，發(fā)射通道經(jīng)過線性化處理后帶內(nèi)變得更平坦，而帶外噪聲則得到了約30 dB的抑制。射頻消除和數(shù)字消除一輪調(diào)整共需約0.17 ms的時間，兩者共提供了約75 dB的消除能力，將自干擾從約?15 dBm消到了約?90 dBm。兩個節(jié)點采用16QAM映射以全雙工方式傳送數(shù)據(jù)時雙向總和達到了220 Mbps的數(shù)據(jù)速率，相對單向時的110 Mbps實現(xiàn)了頻譜效率的翻倍。該通信樣機的實現(xiàn)驗證了本文設(shè)計的有效性。

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Novel Design of Linear Full-duplex MIMO Radios

ZHANG Zhiliang①②SHEN Ying①SHAO Shihai①PAN Wensheng①TANG Youxi①

①(National Key Laboratory of Communication, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)②(Department of Electronic Information Engineering, Jincheng College of Sichuan University, Chengdu 611731, China)

Considering the issues of nonlinearity and self-interference in transmitting and receiving channels of a full-duplex MIMO radio respectively, a novel low hardware cost and low software complexity design scheme with transmitting channels linearization and self-interference cancellation by multi-tap RF cancellers and digital cancellers is proposed, where (1) An improved Cross-Talk Cancelling-Digital Pre-Distorter (CTC-DPD) algorithm and common feedback are used for decoupling and digital pre-distortion to make transmitting channels gain linearly and equally; (2) By introducing adjustable attenuators in receiving channels, multi-tap cancellers use received data along with minimum residual self-interference power criterion based multidimensional gradient descent method to search the multi-tap setting; (3) Digital self-interference is reconstructed for cancellation based on channel estimation in frequency domain. In the prototype of 20 MHz bandwidth LTE full-duplex 2×2 MIMO radio, transmitting channels have more flat in-band spectrum and 30 dB lower out-band noise after linearization. RF and digital self-interference cancellation need 0.17 ms for one turning and provide about 75 dB cancellation together. When two nodes with 16QAM mapping work at full-duplex mode, they achieve a sum of 220 Mbps bit rate, which double the bit rate of 110 Mbps at half-duplex mode and thus double the spectrum efficiency. The prototype demonstrates the feasibility of the proposed design.

Wireless communication; Crosstalk; Nonlinearity; Full-duplex; MIMO

TN92

A

1009-5896(2016)09-2227-06

10.11999/JEIT151363

2015-12-03；

2016-03-21；

2016-05-25

國家自然科學(xué)基金(61471108, 61501093)，國家科技重大專項(2014ZX03003001-002)

The National Natural Science Foundation of China (61471108, 61501093), The National Major Projects (2014 ZX03003001-002)

沈瑩 shenying@uestc.edu.cn

張志亮： 男，1981年生，博士生，研究方向為全雙工通信.

沈瑩： 男，1980年生，副教授，研究方向為空時編碼.

唐友喜： 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為無線通信中的信號處理.