一種適合小尺寸設(shè)備的基于QAM的全雙工中繼技術(shù)

宋新海， 苗 壯， 和 亮

(西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077)

在眾多提高系統(tǒng)性能的技術(shù)中，中繼與協(xié)作技術(shù)由于能以方便靈活的方式獲取可觀的路損、分集及復(fù)用增益，成為現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最具潛力的通信技術(shù)。傳統(tǒng)中繼技術(shù)雖然可利用中繼節(jié)點(diǎn)的處理能力來增強(qiáng)系統(tǒng)性能，但其“接收—轉(zhuǎn)發(fā)”的半雙工模式也帶來傳輸有效性的損失，并增加了傳輸時(shí)延，故尋求更高傳輸效率成為中繼領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1-2]。與此同時(shí)，隨著電子元器件及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線通信中的自干擾消除能力得到顯著提升，曾經(jīng)被認(rèn)為禁忌的同時(shí)同頻全雙工(Co-time Co-frequency Full Duplex， 簡(jiǎn)稱CCFD)技術(shù)，正成為 5G 時(shí)代解決通信流量增長(zhǎng)與頻譜資源匱乏矛盾的重要途徑[3]。于是，具有全雙工和中繼雙重優(yōu)勢(shì)的同時(shí)同頻全雙工中繼(CCFD-Relay，簡(jiǎn)稱CCFD-R)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并受到廣泛關(guān)注[4]。

全雙工系統(tǒng)的核心問題——自干擾消除技術(shù)的研究主要集中于傳輸域、模擬域、數(shù)字域三個(gè)方向[5]，目前總體上可以達(dá)到上百 dB 的自干擾消除能力，一定程度上已經(jīng)能夠滿足多數(shù) CCFD-R 系統(tǒng)的應(yīng)用需要。但由于研究工作的路徑依賴性，現(xiàn)有全雙工中繼技術(shù)因歷史原因多面向宏基站等基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在尺寸、成本以及功耗等方面有著較高要求[6]。另一方面，5G 突破了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的界限，成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、IEEE 網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)融合，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與通信技術(shù)發(fā)生巨大變化。最明顯地，在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(enhanced Mobile Broadband， 簡(jiǎn)稱eMBB)、超可靠低時(shí)延通信(Ultra Reliable Lower Latency Communication，簡(jiǎn)稱URLLC)和大規(guī)模機(jī)器類通信(massive Machine Lower Latency Communications， 簡(jiǎn)稱mMTC)這三大5G應(yīng)用場(chǎng)景中[7-8]，后兩者都是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的，從而帶來眾多的小尺寸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全雙工通信的需求。小尺寸節(jié)點(diǎn)與前述的宏基站等基礎(chǔ)設(shè)施的物理屬性及功能特性差異很大，傳統(tǒng)全雙工技術(shù)難以適用或成本太高。例如，現(xiàn)有的自干擾消除技術(shù)算法復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的功耗要求高，并且通常需要在收、發(fā)天線之間需設(shè)置隔離。上述種種對(duì)傳統(tǒng)基站來說，不構(gòu)成多大困難，但卻難以應(yīng)用于受體積、硬件復(fù)雜度及功耗等諸多限制的小尺寸設(shè)備上。于是，研究適合小尺寸設(shè)備的低復(fù)雜度、低成本和低功耗的 CCFD-R 中繼系統(tǒng)就成為目前中繼技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

面對(duì)因物聯(lián)網(wǎng)的到來而不斷涌現(xiàn)的大量小尺寸節(jié)點(diǎn)的全雙工中繼通信需求，目前主要的自干擾解決方法是嘗試更加微小的天線模組和設(shè)計(jì)更加巧妙的信號(hào)處理方法，或者設(shè)計(jì)低功耗、低復(fù)雜度的自干擾消除結(jié)構(gòu)[9-10]，如在接收端使用輔助鏈路的全數(shù)字自干擾消除結(jié)構(gòu)。這些努力雖然取得了一些效果，但仍存在諸多問題，如天線模組小型化需待以時(shí)日、全數(shù)字自干擾消除結(jié)構(gòu)存在有限精度 ADC 飽和問題等等。在尋求低復(fù)雜度和高性能中繼協(xié)作技術(shù)的研究中，一種基于正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation， 簡(jiǎn)稱QAM)信號(hào)的自干擾消除方法引起研究人員的注意[11-13]。該方法將 QAM 信號(hào)的兩個(gè)分量分配給不同用戶，利用其內(nèi)積為零的特性，可在不擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬的條件下完成協(xié)作通信。該方法既可獨(dú)立應(yīng)用，也可與現(xiàn)有全雙工技術(shù)配合使用，技術(shù)潛力巨大，但可惜目前通信節(jié)點(diǎn)仍工作于多址接入信道(即非完全意義的全雙工)模式。依據(jù)筆者的研究，這種基于正交調(diào)制的協(xié)作分集技術(shù)具有成本低、功耗小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和操作靈活等特色與優(yōu)勢(shì)，比較適合小尺寸節(jié)點(diǎn)的需要，若將其技術(shù)思想用于同時(shí)同頻全雙工中繼解決方案，完全有可能為當(dāng)前海量小尺寸設(shè)備構(gòu)建一種實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工中繼系統(tǒng)的新方法?；诖?，本文針對(duì)三節(jié)點(diǎn)兩跳無線網(wǎng)絡(luò)，利用正交調(diào)制信號(hào)分量之間內(nèi)積為零的特性，提出基于 QAM 信號(hào)的同時(shí)同頻全雙工中繼系統(tǒng)模型，并設(shè)計(jì)傳輸策略及其配套的星座使用方式與信息幀格式，從而構(gòu)建一種適合大量小尺寸設(shè)備的低成本、低功耗和低復(fù)雜度的同進(jìn)同頻全雙工中繼通信方法。

1 系統(tǒng)模型及技術(shù)方案

如圖 1 所示，以三節(jié)點(diǎn)兩跳無線網(wǎng)絡(luò)這一典型系統(tǒng)模型作為研究對(duì)象，信源節(jié)點(diǎn) S 在中繼節(jié)點(diǎn) R 的協(xié)助下向信宿節(jié)點(diǎn) D 傳輸信息，且假定兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)之間無直傳鏈路。為使這一中繼系統(tǒng)工作于全雙工方式，傳統(tǒng)的自干擾消除方法有：①在傳輸域通過天線設(shè)計(jì)，隔離、降低或?qū)ο瞻l(fā)天線之間的電磁耦合；②在模擬域采用多抽頭射頻干擾抑制、射頻模擬干擾消除等技術(shù)，構(gòu)建與自干擾信號(hào)幅相反的對(duì)消信號(hào)；③在數(shù)字域通過數(shù)字信道估計(jì)器和數(shù)字濾波器重構(gòu)經(jīng)過空中接口的自干擾信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)該干擾的消除。這些方法通常需在通信收發(fā)機(jī)上增加復(fù)雜的器件以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，對(duì)于宏基站等基礎(chǔ)設(shè)施不存在多大困難，但對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大量涌現(xiàn)的小尺寸通信節(jié)點(diǎn)，由于受體積、功率、功耗以及成本等影響，往往難以應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)模型

為此，本文在深入研究基于正交信號(hào)的協(xié)作技術(shù)的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于全雙工系統(tǒng)，提出一種適合小尺寸節(jié)點(diǎn)的解決方案。不同于傳統(tǒng)的采用復(fù)雜干擾隔離或復(fù)雜干擾消除技術(shù)，本方案利用 QAM 信號(hào)不同分量之間的正交性對(duì)工作于同一時(shí)間和同一頻段的自干擾進(jìn)行隔離。具體如圖2所示，將同向分量分配給信源 S，將正交分量分配給中繼 R，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)在同一星座的不同分量上進(jìn)行信息傳遞，從而實(shí)現(xiàn)中繼協(xié)作。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收信號(hào)的不同處理方式，可細(xì)分為 AF(Amplify and Forward， 簡(jiǎn)稱AF)中繼和 DF(Decode and Forward，簡(jiǎn)稱DF)中繼，本文選用 DF 方式(采用 AF 方式的技術(shù)原理類似，只是在中繼節(jié)點(diǎn)由圖2中的星座映射改為希爾伯特變換)。本方案特點(diǎn)在于改變了以往將 QAM 信號(hào)由某一個(gè)用戶獨(dú)占的做法，而令信源節(jié)點(diǎn) S 和中繼節(jié)點(diǎn) R 共用同一個(gè)星座，具體為 I 分量分配給 S 和 Q 分量分配給 R(反之亦可)。這樣，信源和中繼各用 QAM 信號(hào)的一個(gè)自由度，由于兩者內(nèi)積為零，實(shí)現(xiàn)了自干擾的有效隔離，從而整個(gè)系統(tǒng)可以工作于同時(shí)同頻模式之下。這一技術(shù)無需像傳統(tǒng)干擾消除方法那樣為通信收發(fā)機(jī)增加笨重的物理隔離設(shè)備或復(fù)雜的軟硬件，而只是對(duì)現(xiàn)有通信收發(fā)機(jī)在工作方式上的靈活使用，幾乎不增加額外的物理模塊，故特別符合小尺寸通信節(jié)點(diǎn)的體積小、功耗低和成本低的特點(diǎn)及要求。另外，本方法與傳統(tǒng)自己干擾消除技術(shù)沒有沖突之處，故將兩者可結(jié)合使用，以取得更好的系統(tǒng)增益，所以本方法不但適用于小尺寸設(shè)備，也可作為大尺寸設(shè)備的自干擾消除的有益補(bǔ)充，減少其殘留自干擾，從而進(jìn)一步提升中繼系統(tǒng)的傳輸性能。

圖2 單向中繼調(diào)制星座映射

圖2中，Eb表示信源節(jié)點(diǎn)S或中繼節(jié)點(diǎn)R的每比特傳輸能量，兩者采用相同的發(fā)送功率。

2 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

本文假定，各節(jié)點(diǎn)都配置兩根天線，一根用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一根用于接收數(shù)據(jù)(也可以只配置一根收發(fā)共體天線，但需設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)路器進(jìn)行隔離，這與兩根天線相比只是自干擾程度有所差別，但本質(zhì)一樣，為便于表述本文以兩根天線為例)。

假定所有信道狀態(tài)服從相互獨(dú)立的平坦Rayleigh慢衰落，所有的信道同步已經(jīng)建立，接收端完全知道有關(guān)的信道狀態(tài)信息，所有信道的噪聲為加性高斯白噪聲(AWGN)。針對(duì)如圖1所示的系統(tǒng)模型和圖2所示的星座使用方式，可設(shè)計(jì)如圖3所示的傳輸方案，其中，假定每幀有N個(gè)時(shí)隙，調(diào)制方式假定為二進(jìn)制(多進(jìn)制類似)。

圖3 單向中繼信息幀結(jié)構(gòu)

(1)通過導(dǎo)頻信息獲得S到R和R到D相應(yīng)的信道系數(shù)hS，R和hR，D，由于假定信道是慢衰落，故在一個(gè)信息幀內(nèi)信道系數(shù)hS，R和hR，D保持不變。

(2)在每幀的第1個(gè)時(shí)隙，信源節(jié)點(diǎn)S在QAM信號(hào)的同相分量上同時(shí)發(fā)送第一比特信息，中繼節(jié)點(diǎn)R的接收信號(hào)rR(ti)為

(1)

式中：ti，i=1，2，…，N,表示時(shí)隙索引；bS[i]，i=1，2，…，N,為信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送比特；s(ti)為歸一化復(fù)基帶波形；R(·)表示求取實(shí)部；ηR(ti)為中繼節(jié)點(diǎn)R處的信道噪聲。

(3)在每幀的第n(1

(2)

(3)

式中：I(·)表示求取虛部；ηD(ti)為信宿節(jié)點(diǎn)D處的信道噪聲。

(4)

信源節(jié)點(diǎn)S按步驟(1)中的方法發(fā)送第n比特信息：

rR(tn)=hS，RbS[n]R(s(tn))+ηR(tn)

(5)

(6)

3 工程應(yīng)用分析

傳統(tǒng)上，QAM 星座總是作為一個(gè)整體分配給某一用戶使用，本文將其進(jìn)行拆解并分配給兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易的全雙工中繼方法。如前所述，該方法無需復(fù)雜的干擾消除設(shè)備和處理模塊，故特別適用于海量小尺寸物理網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)。但同時(shí)也應(yīng)注意到，這種對(duì) QAM 星座的使用方式在工程應(yīng)用中也會(huì)帶來一些問題，根據(jù)研究，主要從如下兩個(gè)方面加以分析：

(1)星座對(duì)齊問題。傳統(tǒng)上，QAM 星座承載某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，信息衰落對(duì)其產(chǎn)生的影響是整體性的，故一般認(rèn)為其在傳輸過程中不同分量之間不會(huì)失去正交性。對(duì)于本方案模型來說，不同用戶使用同一調(diào)制星座，因信道衰落系數(shù)的影響，會(huì)在中繼節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生星座分量的相對(duì)偏差，從而使 QAM 星座的分量失去正交性，從而引起系統(tǒng)性能下降。在本方案中，假定信道系統(tǒng)可以理想估計(jì)，在發(fā)送端或接收端進(jìn)行反向修正進(jìn)行解決。為此，可在信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，根據(jù)信道衰落情況，采用預(yù)信道發(fā)送補(bǔ)償方法，亦即在發(fā)送時(shí)對(duì)發(fā)送信號(hào)根據(jù)信道系統(tǒng)加以補(bǔ)償，使之在中繼節(jié)點(diǎn)處保持正交。

(2) IQ 不平衡問題。理想情況下，同相和正交分量具有 90°相位差，但在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，通常難以達(dá)到上述理想情況，因此產(chǎn)生 IQ 不平衡問題。對(duì)于本技術(shù)方案，IQ 不平衡問題呈現(xiàn)出兩個(gè)新的特性：一是傳統(tǒng) IQ 不平衡產(chǎn)生于同一發(fā)射機(jī)(或接收機(jī))，而本技術(shù)方案的 IQ 不平衡則來自不同的發(fā)射機(jī)(或接收機(jī))，這對(duì)該問題的處理帶來了額外復(fù)雜性，這是不利的一面；二是傳統(tǒng) IQ 兩路信號(hào)承載同一通信節(jié)點(diǎn)的信息，故兩路信號(hào)在承載信息上是相關(guān)的，而在本技術(shù)方案中，IQ 兩路維度被分配給了不同的用戶，相互之間在承載信息上是不相關(guān)的，這一特性將對(duì) IQ 不平衡問題帶來有利的一面。經(jīng)研究，擬考慮收-發(fā)投影檢測(cè)法加以解決，亦即接收信號(hào)向發(fā)送信號(hào)的法線上投影，并對(duì)該投影進(jìn)行檢測(cè)，能夠取得很好的效果，同時(shí)可有效避免因接收信號(hào)淹沒在發(fā)送信號(hào)中而導(dǎo)致的傳統(tǒng)數(shù)字自干擾消除方法的 ADC 飽和等問題。

4 結(jié) 語

本文就小尺寸設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易中繼通信展開研究，提出了一種基于QAM信號(hào)的全雙工中繼技術(shù)。該技術(shù)幾乎不用對(duì)通信收發(fā)機(jī)增設(shè)硬件，也無需傳統(tǒng)自干擾消除復(fù)雜的軟件算法，只需對(duì)QAM星座加以靈活利用，故成本低、額外功耗有限、對(duì)設(shè)備體積無特別要求，特別適用于小尺寸設(shè)備進(jìn)行全雙工中繼協(xié)作通信。另外，本技術(shù)還可作為現(xiàn)有全雙工干擾消除技術(shù)的有益補(bǔ)充，減少其殘留自干擾，進(jìn)一步提升中繼系統(tǒng)的傳輸性能。由于物聯(lián)網(wǎng)的到來而催生的小尺寸通信節(jié)點(diǎn)大量涌現(xiàn)，故本技術(shù)推廣前景廣闊，工程應(yīng)用價(jià)值突出，后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)其性能分析與工程應(yīng)用展開進(jìn)一步研究。