5G通信系統(tǒng)中同時同頻全雙工技術(shù)展望

劉陸軍 高良鵬 劉振鵬 李政澤 孫 淵/上海電機學院

5G通信系統(tǒng)中同時同頻全雙工技術(shù)展望

劉陸軍 高良鵬 劉振鵬 李政澤 孫 淵/上海電機學院

同時同頻全雙工技術(shù)和現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的新型雙工技術(shù)存在很大的差別，要實現(xiàn)全雙工技術(shù)需要克服許多困難，收發(fā)機的自干擾問題就是其中最應(yīng)該解決的問題。目前狀況下所用的消除干擾的方法有：天線干擾消除、射頻干擾消除、數(shù)字干擾消除，其綜合性能已經(jīng)基本能滿足實驗室全雙工通信。

全雙工；自干擾；干擾消除；5G

引言

隨著LTE在國際范圍內(nèi)商用進程的飛速發(fā)展，5G的研究成為了各國競爭的焦點。5G的定位是頻譜利用更高，信息處理更快，數(shù)據(jù)的吞吐量更大的無線網(wǎng)絡(luò)，它會改變我們的通信方式與現(xiàn)在相比會大大降低時延和卡頓對無線網(wǎng)絡(luò)通信的影響。它的發(fā)展方向?qū)⒁浴耙匀藶楸尽睘橹行?，在移動互?lián)網(wǎng)、移動終端、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域進一步的發(fā)展和創(chuàng)新。

1.同時同頻全雙工的工作原理

采用CCFD的無線通信系統(tǒng)，首先是清楚發(fā)射機和接收機的節(jié)點對于有用信號都是干擾源,所以這樣得要求接收點在工作的同時還得可以消除干擾，并且能夠抑制干擾，大大降低對有用信號的干擾。因此CCFD的關(guān)鍵技術(shù)在于干擾的最大幅度消除，由于受RF干擾消除器件精度的影響再加上價格的因素并沒有推廣商用[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)有的商用RF干擾消除器件能夠滿足民用要求，從而使CCFD的商用得以實現(xiàn)。

1.1 天線干擾消除

兩根發(fā)射天線和一根接收天線就是目前天線消除原理的設(shè)備。在滿足發(fā)射天線發(fā)射信號的波長是兩根天線距離的半波長的奇數(shù)倍，這樣通過兩根天線的信號會以相反的相位到達天線的接收點，這樣會使干擾信號自行干涉相消，通過這樣接收天線收到的自干擾信號就會大大減弱，再利用噪聲信號消除電路和數(shù)字域消除技術(shù)，就可以達到預(yù)期目標。

1.2 射頻干擾消除

射頻干擾消除的重點是調(diào)節(jié)干擾參考信號的相位和幅度，從而達到精確干擾消除的目的，而這樣干擾消除的重點是自適應(yīng)調(diào)節(jié)。MIMO技術(shù)可以與射頻干擾消除技術(shù)同時使用，然而在天線多的情況下的高階MIMO難以實現(xiàn)[2]。

1.3 數(shù)字干擾消除

在同頻全雙工系統(tǒng)進行數(shù)字自干擾時，自干擾的信息為已知，因此相比傳統(tǒng)的數(shù)字對消省去先解出不期望的發(fā)射機信息。要對數(shù)字干擾消除進行清晰的了解，可以建立一個 ADC 量化進行數(shù)字通過對消實現(xiàn)同頻全雙工的M-QAM 的系統(tǒng)模型。

2.同時同頻全雙工在5G中的展望

2.1 同時同頻全雙工在5G中的挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)需要具備更高的傳速效率、更高的數(shù)據(jù)吞吐量和更加迅速的反應(yīng)時間；為了實現(xiàn)5G通信的需求應(yīng)運而生同時同頻全雙工技術(shù)，此技術(shù)的應(yīng)用能夠在頻譜利用上滿足5G通信的基本需求，所以同時同頻全雙工技術(shù)備受國內(nèi)外重視。

各國研究機構(gòu)都在加緊對5G從實驗室到商業(yè)化開始研究并實施一系列技術(shù)的融合，在早期的5G技術(shù)只滿足在實驗室對5G通信的基本實現(xiàn)不能夠大規(guī)模的推廣商用，重要的原因之一就是成本太高，能耗也是個避不開的問題，所以用數(shù)學建模和統(tǒng)一化的平臺創(chuàng)立隨之而生[3]。

2.2 新平臺的搭建優(yōu)化全雙工技術(shù)在5G通信的效率

資策會多會在用可編程閘矩陣硬件平臺配合HDL進行直接現(xiàn)場開發(fā)平臺。這樣就要求硬件工程師了解繁瑣復(fù)雜的數(shù)位硬體設(shè)計用于開發(fā)FPGA，在此基礎(chǔ)上還必須對合成電路以及后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化等消耗精力、物力[4]。同時還需要軟件工程師在韌體和操作界面設(shè)計等方面進行投入時間和精力。在這一個系統(tǒng)就需要花費大量的人力物力財力，根本不適宜大規(guī)模商業(yè)推廣。

NI SDR平臺的搭建就會應(yīng)運而生，在滿足5G通信的基礎(chǔ)上必須得保證所搭建的平臺有足夠的可擴容可修改性。在滿足對5G通信的速度和效率的同時達到全雙工對射頻敏感度要求高等許多條件，策委會在參考了很多先進的模型通信系統(tǒng)后決定使用如下圖1.所示的NI SDR平臺。

圖1 NI SDR平臺

3.5 G終端應(yīng)用場景

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的大力推進，如今的通信模式發(fā)生了很大的改變，甚至可以用日新月異來形容。在當今的社會可以說沒有信息的流動就不是個健全的社會，真正可以說足不出戶就可以知道天下事看到每天全球發(fā)生的事，在人與人之間的每天發(fā)生的事情都可以全天侯全場景的在網(wǎng)絡(luò)上共享。同時5G的推進就會在如今的基礎(chǔ)上大大變革現(xiàn)在的通信方式以及網(wǎng)絡(luò)擁堵以及時延等很多問題，在移動互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域5G會得到很大很廣的應(yīng)用，見圖2所示。

3.1 移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

在如今的時代移動互聯(lián)網(wǎng)在生活中的改變可謂是方方面面，我們的移動端也是隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生著代數(shù)的更替，在以前的2G或者說3G乃至4G都會是一次又一次的革命和創(chuàng)新，在未來的5G更會是在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)生變化，未來的人與人之間的視頻通信會達到零延遲，在游戲娛樂方面更會使虛擬的東西更加真實化，在數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理方面會更加迅速和更加快捷。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)可是在最近的幾年發(fā)展迅速，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生可謂是很大程度上更加優(yōu)化了移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的領(lǐng)域，在個人業(yè)務(wù)和公司集團等業(yè)務(wù)都有很大的提升，在個人方面5G通信可以更加優(yōu)化目前存在的智能家居，以及個人身體健康監(jiān)測等等；在公司等業(yè)務(wù)方面，物聯(lián)網(wǎng)可以大大增強無線信號的覆蓋范圍，而且由于5G的存在會大大優(yōu)化目前物聯(lián)網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性。同時5G通信系統(tǒng)的存在會更加適應(yīng)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)大型化的需求。

圖2 5G應(yīng)用場景

4.結(jié)語

本文主要介紹了對5G通信系統(tǒng)中同時同頻全雙工的干擾消除技術(shù)的展望，同時同頻全雙工是近年來提出的新的通信技術(shù)之一，由于同時同頻全雙工在技術(shù)上對現(xiàn)有的技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)，阻礙其應(yīng)用發(fā)展的最大的一個技術(shù)就是自干擾的消除，伴隨著研究的發(fā)展一些自干擾的消除方法也隨著產(chǎn)生，天線干擾消除、射頻干擾消除、數(shù)字干擾消除，成為目前的主流方法，在現(xiàn)有的干擾消除的進度來說，已經(jīng)初步實現(xiàn)了實驗室的同時同頻全雙工通信。

[1]卞宏梁,曹磊,孫震強.同時同頻全雙工技術(shù)研究[J],電信技術(shù),2013,12.

[2]秦爽.LTE小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)仿真研究[D].浙江工業(yè)大學,2014.

[3]劉浩,沈竹,劉永飄.無線直放站的干擾自適應(yīng)消除技術(shù)[J].電子與信息學報.2009,1.

[4]百度百科[EB],FDD,TDD,CDMA,同時同頻全雙工.

劉陸軍：（1993.10）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業(yè)。

高良鵬：（1996.3）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業(yè)。

劉振鵬：（1996.9）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業(yè)。

李政澤：（1996.5）男，上海電機學院，本科生，機械電子工程專業(yè)。

孫淵：(1969.8）女，上海電機學院，教授，博士，研究領(lǐng)域為機械設(shè)計及其自動化。