同時同頻全雙工射頻快速自適應干擾抵消算法

王 俊，趙宏志，唐友喜

?

同時同頻全雙工射頻快速自適應干擾抵消算法

王 俊1,2，趙宏志2，唐友喜2

(1. 西南民族大學電氣信息工程學院 成都 610041；2. 電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室 成都 611731)

在同時同頻全雙工收發(fā)信機中，考慮單徑無線自干擾信道場景，提出了基于快速搜索思想的射頻自適應干擾抵消算法。通過分析自干擾幅度估計誤差、相位估計誤差對射頻自干擾抵消后剩余接收信號功率的影響，引出了射頻域的快速自適應干擾抵消算法，并討論了該算法的收斂性。分析與仿真表明，在同時同頻全雙工系統(tǒng)中，基于快速搜索的射頻自適應干擾抵消算法可以有效實現(xiàn)射頻域自干擾的抵消；與現(xiàn)有的射頻自適應干擾抵消方法相比，其收斂時間減少了約60%。

自適應干擾抵消; 全雙工; 快速搜索; 射頻自干擾

同時同頻全雙工收發(fā)信機能夠在同一頻段上同時收發(fā)數據，與傳統(tǒng)的時分雙工、頻分雙工收發(fā)信機相比，信道容量及頻譜利用率更高[1-2]。因此，同時同頻全雙工技術成為下一代移動通信技術(5G)的研究熱點[3]。然而，在全雙工傳輸模式的收發(fā)信機中，接收信號受本地發(fā)送信號的大功率干擾[4]。由于模數轉換器(analog to digital converter, ADC)的動態(tài)范圍限制，若接收的自干擾信號功率過高，遠端期望信號便會淹沒在ADC的量化噪聲里[4]。因此，同時同頻全雙工接收機必須在射頻域對接收的大功率自干擾信號進行抑制。

根據射頻自干擾重建信號的饋入方式，已有的全雙工射頻自干擾抵消技術可分為兩類：數字輔助射頻自干擾抵消和直接耦合射頻自干擾抵消。數字輔助射頻自干擾抵消技術的基本思想在于：結合自干擾信道估計值在基帶處理單元重建自干擾信號，然后經過一條獨立的射頻通道將基帶重建信號上變頻到射頻域作為射頻自干擾重建信號，最后將射頻自干擾重建信號從接收射頻信號中減去[5-7]。文獻[5]考慮一發(fā)一收的窄帶通信系統(tǒng)，給出了基本的數字輔助射頻自干擾抵消結構，并通過實驗驗證了其有效性。文獻[6]考慮兩發(fā)一收的寬帶正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)通信系統(tǒng)，分別對各子載波參考信號進行信道補償得到各子載波對應的重建自干擾，然后經過傅里葉反變換(inverse fast Fourier transform, IFFT)產生時域的基帶重建自干擾。文獻[7]將文獻[6]的解決思路應用于多天線的寬帶OFDM系統(tǒng)上。綜上，數字輔助的射頻自干擾抵消結構容易實現(xiàn)，但由于該結構中射頻重建自干擾是通過額外的一條射頻通道產生，不能抵消原發(fā)射射頻通道產生的自干擾非線性分量。

直接耦合射頻自干擾抵消技術從全雙工收發(fā)信機的發(fā)射端直接耦合出一路射頻參考信號，通過對射頻參考信號和接收射頻信號進行相應的處理，實現(xiàn)射頻域的自干擾抵消。因而，它可以同時抵消自干擾信號的線性和非線性分量。具體地，該類方法可分為盲自干擾抵消以及基于信道估計的自干擾抵消兩類。其中盲自干擾抵消無需參考信號的幅度、相位對射頻干擾進行搜索，但由于其沒有利用自干擾信道的信息，使得自干擾抵消性能不佳[8]。基于信道估計的自干擾抵消方法則通過對射頻參考信號的時延、幅度以及相位進行估計和調整，得到射頻重建自干擾并在接收射頻信號中減去。文獻[9-10]假設單徑自干擾信道場景，分別采用QHX220芯片[9]，以及兩抽頭射頻自干擾重建結構[10]產生射頻域的重建自干擾，通過固定步長搜索最優(yōu)的重建自干擾幅度和相位值。文獻[11-12]則分別考慮單徑和多徑自干擾場景，對自干擾重建結構中各抽頭的權矢量進行自適應的搜索，該搜索方法的收斂速度優(yōu)于固定步長搜索算法[13]。但上述自適應搜索方法的收斂速度性能受自干擾抑制性能制約[11-12]，對自干擾抑制性能要求較高時，會導致收斂速度變慢。

為解決以上問題，本文提出一種應用于同時同頻全雙工系統(tǒng)的射頻快速自適應干擾抵消技術，與現(xiàn)有的射頻自適應干擾抵消方法相比，在不惡化干擾抑制性能的前提下提高收斂速度?？紤]單徑無線自干擾信道場景，首先分析了自干擾抵消后的剩余接收信號功率與自干擾幅度估計誤差、相位估計誤差之間的關系，進而提出了基于快速搜索思想的射頻自適應干擾抵消算法。以最小化剩余接收信號功率為目標，該方法首先選擇一個自干擾幅度估計值與相位估計值的區(qū)間，使得由此區(qū)間確定的剩余接收信號功率只包含極小值，不包含極大值，并將其作為快速搜索的初始搜索區(qū)間；每一次迭代搜索時，對該時刻的剩余接收信號功率進行分析和判斷，得到縮小一半的新搜索區(qū)間。以此類推，搜索區(qū)間大小將呈2的指數次冪下降，最終收斂于極小值點。

1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型

1.1 發(fā)射機模型

遠端發(fā)射信號的信號模型與近端發(fā)射信號模型類似，不再贅述。

1.2 接收機模型

考慮單徑自干擾信道場景，接收射頻信號可以表示為：

(4)

近端接收射頻單元利用干擾抵消后的剩余接收信號，產生控制信號；并更新、，得到自干擾信號的估計。干擾抵消后的信號經過下變頻、模數轉換、匹配濾波后，解調得到遠端期望信號。

2 干擾抵消算法

2.1 剩余接收信號功率

針對近端接收機模型中的自干擾抵消，結合式(4)、式(5)，可以得到自干擾抵消后剩余信號的功率：

(7)

式中：

(9)

(10)

由于近端發(fā)射天線與近端接收天線距離很近，其對應的傳輸時延極小?？紤]窄帶信號的應用場景，則：

(12)

結合式(11)、式(12)，化簡式(7)，得到：

(14)

圖2 剩余接收信號功率與幅度衰減、相位偏移的關系

2.2 算法內容

根據式(14)，可以得到使得剩余接收信號功率最小的二維全局最優(yōu)點：

1) 相位偏移的固定搜索階段

2) 相位偏移的折半搜索階段

3) 幅度衰減的折半搜索階段

當相位偏移自適應搜索結束后，幅度衰減的自適應搜索開始。

2.3 收斂性分析

2.3.1 相位偏移的收斂性

(20)

(22)

相位偏移折半搜索的首次搜索過程中：

(24)

因為：

相位偏移折半搜索的迭代過程中，由于

(27)

因為：

(29)

由此類推：

(31)

則：

結合式(29)，有：

(33)

2.3.2 幅度衰減的收斂性

幅度衰減折半搜索的收斂性分析與相位偏移折半搜索的收斂性分析過程類似，這里不再贅述。

綜上所述，以最小化剩余接收信號功率為目標，本文方法首先確定一個幅度衰減、相位偏移的取值區(qū)間，使得此區(qū)間內的目標函數僅包含一個極小值且不包含極大值，并將其作為折半搜索的初始搜索區(qū)間；每一次迭代搜索時，利用剩余接收信號功率關于干擾相位偏移估計誤差、干擾幅度衰減估計誤差的對稱性，對實時的剩余接收信號功率進行統(tǒng)計和分析，得到縮小一半的新搜索區(qū)間。以此類推，干擾相位偏移、幅度衰減搜索區(qū)間的大小將呈2的指數次冪下降，最終收斂于自干擾信號的相位偏移與幅度衰減真實值。

3 仿真結果

以本文提出的全雙工射頻快速自干擾抵消算法為基礎，利用Matlab仿真軟件仿真了其干擾抵消性能，驗證了算法的有效性；并且仿真對比了該算法和已有的自適應干擾抵消方法[11-12]的收斂速度性能。仿真參數設置如表1所示。

表1 仿真分析的參數設置

a. 相位偏移估計值隨迭代次數的整體變化趨勢

b. 相位偏移估計值隨迭代次數局部變化趨勢

圖4 相位偏移估計值隨迭代次數的變化趨勢

以一次全雙工射頻快速自適應干擾抵消過程為例，圖4給出了當幅度衰減真實值為0.001 8，相位偏移真實值為2.281 8 rad時，相位偏移估計值隨迭代次數的變化趨勢，該過程分為兩個階段：第一階段為固定搜索階段，容易看出，該階段經歷了5次迭代。第二階段為折半搜索階段，進入折半搜索階段后，相位偏移的搜索區(qū)間大小呈2的指數次冪下降?？梢钥闯?，相位偏移的估計值將無限逼近于相位偏移的真實值。

a. 幅度衰減估計值隨迭代次數整體變化趨勢

b. 幅度衰減估計值隨迭代次數局部變化趨勢

圖5 幅度衰減估計值隨迭代次數的變化趨勢

以一次全雙工射頻快速自適應干擾抵消過程為例，圖5給出了當幅度衰減真實值為0.001 8，相位偏移真實值為2.281 8 rad時，幅度衰減估計值隨迭代次數的變化趨勢，該過程發(fā)生在相位偏移自適應搜索收斂之后?？梢钥闯?，幅度衰減的搜索區(qū)間大小呈2的指數次冪下降，幅度衰減的估計值將無限逼近于幅度衰減的真實值。

根據前面的內容可知，已有的全雙工系統(tǒng)中直接耦合射頻自干擾抵消技術方法主要分為兩類：盲自干擾抵消以及基于信道估計的自干擾抵消。盲自干擾抵消不需要對射頻參考信號的幅度、相位進行搜索，但由于沒有利用自干擾信道信息，使得自干擾抵消性能不佳。另一方面，基于信道估計的自適應干擾抵消早期通過固定步長搜索實現(xiàn)自干擾信道估計，而目前該類方法中最具代表性是基于最小均方誤差準則(least mean square, LMS)的自適應搜索，其收斂速度優(yōu)于固定步長搜索算法。因此，將本文算法與基于LMS自適應干擾抵消方法[11-12]的收斂速度進行對比，如圖6所示。其中自干擾抑制比代表接收自干擾功率與干擾抑制后的剩余自干擾功率之比。從圖中可以看出，本文算法的收斂時間縮短為已有自適應干擾抵消方法收斂時間的40%左右，且收斂后的自干擾抑制比基本保持一致。

綜上所述，考慮單徑無線自干擾信道，本文的全雙工射頻快速自適應干擾抵消算法，能夠快速對自干擾信號的幅度衰減、相位偏移估計值進行自適應搜索，有效實現(xiàn)射頻自干擾的抵消。從圖6給出的仿真結果中容易看出：在2.4 GHz載頻、5 MHz帶寬、0 dB信噪比，-50 dB信干比，以及100倍符號周期的統(tǒng)計時間條件下，該射頻快速自適應干擾抵消算法可以實現(xiàn)約70 dB的自干擾抵消效果。此外，從圖6中還可以看出，在收斂后干擾抑制性能基本無損失的前提下，本文算法的收斂時間縮短為已有射頻自適應干擾抵消方法的40%左右，提高了全雙工系統(tǒng)中射頻自適應干擾抵消的收斂速度。

圖6 本文算法和已有自適應干擾抵消方法的收斂速度對比

4 結束語

本文針對同時同頻全雙工傳輸場景，考慮單徑自干擾傳輸信道，提出了一種射頻域的快速自適應干擾抵消算法。每一次迭代搜索時，利用剩余接收信號功率關于自干擾相位偏移估計誤差、幅度衰減估計誤差的對稱性，對實時的剩余接收信號功率進行統(tǒng)計分析，得到縮小一半的新搜索區(qū)間，從而達到快速搜索的目的。與現(xiàn)有的射頻自適應干擾抵消方法相比，本文方法在不惡化干擾抑制性能的前提下提高了收斂速度。在全雙工系統(tǒng)的現(xiàn)實工程應用中，能夠有效地解決射頻自適應自干擾抵消收斂速度慢的問題。

[1] CIRIK A C, RONG Y, HUA Y. Achievable rates of full-duplex MIMO radios in fast fading channels with imperfect channel estimation[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2014, 62(15): 3874-3886.

[2] ZHENG G. Joint beamforming optimization and power control for full-duplex mimo two-way relay channel[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2015, 63(3): 555-566.

[3] GUPTA A, JHA R K. A survey of 5G network: Architecture and emerging technologies[J]. IEEE Access, 2015, 3: 1206-1232.

[4] SABHARWAL A, SCHNITER P, GUO D, et al. In-band full-duplex wireless: Challenges and opportunities[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(9): 1637-1652.

[5] DUARTE M, DICK C, SABHARWAL A. Experiment- driven characterization of full-duplex wireless systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2012, 11(12): 4296-4307.

[6] DUARTE M, SABHARWAL A, AGGARWAL V, et al. Design and characterization of a full-duplex multiantenna system for WiFi networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2014, 63(3): 1160-1177.

[7] LEE J H. Self-interference cancelation using phase rotation in full-duplex wireless[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2013, 62(9): 4421-4429.

[8] LU H, SHAO S, TANG Y. Self-mixed self-interference analog cancellation in full-duplex communications[C]//2014 IEEE Global Communications Conference (ICC). Austin, TX: IEEE, 2014: 3737-3741.

[9] MAYANK J, JUNG C, TAE M K, et al. Practical, real-time, full duplex wireless[C]//Mobile Computing and Networking. New York, USA: [s.n.], 2011, 1: 301-312.

[10] HONG S S, MEHLMAN J, KATTI S. Picasso: Flexible RF and spectrum slicing[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2012, 42(4): 37-48.

[11] 王俊, 趙宏志, 卿朝進, 等. 同時同頻全雙工場景中的射頻域自適應干擾抵消[J]. 電子與信息學報, 2014, 36(6): 1435-1440.

WANG Jun, ZHAO Hong-zhi, QIN Chao-jin, et al. Adaptive self-interference cancellation at RF domain in co-frequency co-time full duplex systems[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2014, 36(6): 1435-1440.

[12] CHOI Y S, SHIRANI-MEHR H. Simultaneous transmission and reception: Algorithm, design and system level performance[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013, 12(12): 5992-6010.

[13] HAYKIN S. Adaptive filter theory[M]. 4th ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2001: 50-74.

[14] GORDON L S. Principles of mobile communication[M]. 3rd ed. [S.l.]: Springer, 2011: 202-203.

[15] ROSS S M. Stochastic processes[M]. New York: Wiley, 1953.

編 輯 葉 芳

Quick Adaptive Self-Interference Cancellation at RF Domain in Full Duplex Systems

WANG Jun1,2, ZHAO Hong-zhi2, and TANG You-xi2

(1. College of Electrical and Information Engineering, Southwest University for Nationalities Chengdu 610041; 2. National Key Lab of Science and Technology on Communications, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

In a full-duplex transceiver which transmits and receives at the same frequency simultaneously, a radiofrequency (RF) adaptive self-interference cancellation algorithm based on quick search is proposed to cancel the single path self-interference. By analyzing the impact of the magnitude and phase estimation errors on the residual received signal power after the self-interference cancellation, the RF quick adaptive self-interference cancellation algorithm is derived, and its convergence performance is discussed. By analysis and simulation, the RF adaptive self-interference cancellation algorithm based on quick search can effectively cancel the self-interference at the RF domain, and its convergence time decreases by 60% compared with the existing RF adaptive self-interference canceller.

adaptive interference cancellation; full duplex; quick search; RF self-interference

TN92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.04.005

2016-05-03；

2017-03-06

國家自然科學基金(61531009, 61501093, 61271164, 61471108)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項(ZYGX2014Z011)

王俊(1988-)，女，博士，主要從事無線通信、信號處理等方面的研究.