帶內(nèi)全雙工水聲通信系統(tǒng)自干擾抵消技術(shù)研究框架與思路*

趙云江

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

作為6G 潛在關(guān)鍵技術(shù)中增強(qiáng)型無線空口技術(shù)的分支——帶內(nèi)全雙工（IBFD,In-Band Full-Duplex）技術(shù)[1-2]，因其頻率效率提升顯著、傳輸資源可高靈活度配置等優(yōu)勢，受到了廣泛的關(guān)注。相較于無線電通信系統(tǒng)，水聲通信（UWAC,UnderWater Acoustic Communication）系統(tǒng)在面臨著更惡劣的信道條件的同時[3]，頻譜資源也更加緊缺，僅為幾kHz 至幾十kHz。如何在UWAC 系統(tǒng)帶寬嚴(yán)重受限的情況下進(jìn)一步提高水聲通信系統(tǒng)的頻譜效率，是目前水聲通信技術(shù)研究領(lǐng)域面臨的核心問題之一[4]。

IBFD 技術(shù)為該問題帶來了新的解決途徑，在上述背景下具有極高的研究意義與應(yīng)用價值，因此IBFD-UWAC 技術(shù)[5]逐漸成為目前水聲通信領(lǐng)域的研究熱點之一。除提升頻率效率外，IBFD-UWAC 還具有諸多優(yōu)勢，如可降低節(jié)點間信息交互所需時間、按需靈活調(diào)整節(jié)點間通信系統(tǒng)雙工體制、在主動發(fā)射干擾下可增加節(jié)點信息安全性等。

目前，針對IBFD 技術(shù)的研究主要集中于無線電通信領(lǐng)域，與IBFD 無線電通信系統(tǒng)類似，IBFD-UWAC 系統(tǒng)需要解決的最主要問題即是本地強(qiáng)自干擾抵消（SIC,Self-Interference Cancellation）。諸多研究內(nèi)容與成果以及無線電與水聲通信系統(tǒng)分別在實現(xiàn)IBFD 通信的過程中所面對問題的差異分析，參見文獻(xiàn)[6] 和[7]。本文基于現(xiàn)有研究及分析結(jié)果，提出了一種適用于IBFD-UWAC系統(tǒng)的理論研究框架，同時對研究過程中發(fā)現(xiàn)的新問題展開討論，并對未來研究的方向進(jìn)行了展望。

1 IBFD-UWAC研究現(xiàn)狀簡述與實驗結(jié)果分析

目前，尚無公開的、完整的可實現(xiàn)從SIC（多域聯(lián)合）到期望信號正確解調(diào)（低誤碼率）整個流程的可雙端同時支持的帶內(nèi)全雙工水聲通信系統(tǒng)公里級外場實驗驗證結(jié)果。同時，研究成果多以單域抵消后（或以單獨(dú)模擬域/ 數(shù)字域配合空間干擾抑制）完成解調(diào)（較高誤碼率）或以抵消量的多少作為技術(shù)先進(jìn)性的評價準(zhǔn)則。但需要明晰的是，各域間抵消性能將產(chǎn)生類似“制約”的影響，如空間干擾抑制過強(qiáng)，則模擬及數(shù)字域干擾抵消性能將下降，類似總結(jié)參見文獻(xiàn)[8]，其中對IBFD 無線電通信系統(tǒng)中空間自干擾抑制、模擬域SIC、數(shù)字域SIC 這三種方案不同組合下的性能進(jìn)行了對比與分析。

此外，在各類研究中，若以最終實現(xiàn)IBFD-UWAC 系統(tǒng)為目標(biāo)（獨(dú)立運(yùn)行設(shè)備），則目前的自干擾傳播信道假設(shè)與實際存在一定差異，文獻(xiàn)[9]至[11]都獲得了較為復(fù)雜的自干擾信道結(jié)果，已脫離“稀疏”信道范疇，同時實際應(yīng)用環(huán)境中持續(xù)時變的自干擾信道[12]也給SIC 過程帶來了困難。下面通過具有外場實驗的部分文獻(xiàn)及實測自干擾數(shù)據(jù)對自干擾傳播信道進(jìn)行進(jìn)一步說明，并以此為基礎(chǔ)對適用于SIC 過程的自適應(yīng)濾波器技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.1 自干擾傳播信道特性分析

文獻(xiàn)[13]對IBFD-UWAC 系統(tǒng)的自干擾信號傳播信道進(jìn)行了測量，采用獨(dú)立發(fā)射換能器與接收換能器，實驗結(jié)果表明，在一定條件下自干擾信號傳播信道可超過1 s，同時當(dāng)傳播時間達(dá)到0.5 s 時，自干擾強(qiáng)度僅下降不到60 dB。文獻(xiàn)[14] 利用聲障板、發(fā)射換能器以及兩個水聽器通過對照試驗得出了重要結(jié)論，即近端接收端接收到的絕大部分自干擾屬于直達(dá)自干擾（亦稱環(huán)路自干擾），直達(dá)部分信道較為穩(wěn)定，該部分干擾可以通過聲障板進(jìn)行抑制，但隨時間變化的由界面反射引起的多徑自干擾仍然需要考慮如何進(jìn)行信道估計與抵消。

文獻(xiàn)[11] 利用IBFD-UWAC 工程樣機(jī)對環(huán)路自干擾及多徑自干擾進(jìn)行了測量，并基于工程樣機(jī)1:1 比例有限元仿真模型對環(huán)路自干擾傳播過程進(jìn)行了仿真，仿真及實驗結(jié)果證明了在文中工程樣機(jī)上發(fā)射和接收端布置方法下，環(huán)路自干擾將受到IBFD-UWAC 電子艙體影響，環(huán)路自干擾信道變得相當(dāng)復(fù)雜，同時實測多徑自干擾在發(fā)射結(jié)束100 ms 且經(jīng)歷了多次反射后，與環(huán)路自干擾峰值能量相比僅下降50 dB，因此如何在實際應(yīng)用中合理地選擇電子艙體材料、收發(fā)端布放位置以最大程度降低自干擾復(fù)雜度與強(qiáng)度是需要關(guān)注的問題。文獻(xiàn)[15] 針對不同結(jié)構(gòu)的通信機(jī)電子艙體以及不同布放位置下自干擾強(qiáng)度差異進(jìn)行了仿真與分析，研究結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)及布放位置下自干擾能量強(qiáng)度變化可達(dá)十余分貝。

對文獻(xiàn)[11] 中不同布放深度下采集的環(huán)路自干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，可得不同深度下環(huán)路自干擾信號傳播信道處理結(jié)果如圖1 所示：

圖1 基于IBFD-UWAC工程樣機(jī)實測不同深度下環(huán)路自干擾信號傳播信道

由圖1 可知，環(huán)路自干擾傳播信道實測結(jié)果反映的特性與文獻(xiàn)[14]實測結(jié)果基本一致，即環(huán)路自干擾傳播信道較穩(wěn)定。

綜合上述內(nèi)容，對IBFD-UWAC 系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的自干擾傳播信道特性進(jìn)行總結(jié)如下：

（1）自干擾信號將以較慢的能量衰減速度持續(xù)較長時間，在一些特定的環(huán)境場景中可能會持續(xù)超過1 s；

（2）自干擾傳播信道具有極高的復(fù)雜度，無論以設(shè)備級角度分析還是以自干擾抵消性能角度分析，基本都無法將自干擾傳播信道視為稀疏信道；

（3）環(huán)路自干擾傳播信道在上述應(yīng)用環(huán)境中基本都保持著一定的穩(wěn)定性，這為干擾抵消提供了一定的前提條件；

（4）由于界面波動（以水面為主）影響以及水下設(shè)備在水中受水流影響導(dǎo)致的隨機(jī)漂移，會使多途自干擾信道存在較大的時變性。

自干擾信道估計精度將直接影響SIC 效果，本文基于目前已知自干擾傳播信道特征，下面對現(xiàn)有的自干擾抵消系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)進(jìn)行論述與分析。

1.2 IBFD-UWAC SIC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)研究現(xiàn)狀簡述

由于IBFD-UWAC 系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC,Analog-to-Digital Converter）動態(tài)量化范圍有限，當(dāng)自干擾信號能量過強(qiáng)時，將造成ADC 阻塞效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法采集到遠(yuǎn)端弱期望信號，因此需在模擬域進(jìn)行第一次SIC 處理，使遠(yuǎn)端弱期望信號可以完整進(jìn)入到ADC 動態(tài)量化范圍當(dāng)中，以便數(shù)字域進(jìn)行下一步的處理。文獻(xiàn)[16] 基于一種類似數(shù)字輔助模擬自干擾抵消（DAA-SIC,Digitally Assisted Analog Self-Interference Cancellation）[17]的SIC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以歸一化最小均方誤差（NLMS,Normalized Least Mean-Square）算法為核心，在淺水信道下實現(xiàn)了初步的模擬域SIC，也證明了信號誤差對自干擾抵消性能的影響。這意味著在模擬域SIC 過程中，還需考慮功率放大器（PA,Power Amplifier）等電子器件對信號的非線性失真影響。

而對于非線性失真影響，目前IBFD-UWAC 系統(tǒng)一般有兩種方式應(yīng)對：一是將PA 輸出通過衰減器引入到數(shù)字域作為自適應(yīng)濾波器輸入?yún)⒖夹盘?，用以抵消自干擾信號中的非線性失真分量：二是通過預(yù)失真進(jìn)行補(bǔ)償或通過PA 行為模型對自干擾信號非線性部分進(jìn)行建模與重構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行抵消。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于PA 輸出獲取的數(shù)字域SIC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用PA 輸出作為自適應(yīng)濾波器輸入?yún)⒖夹盘?，相比于利用?shù)字調(diào)制信號作為自適應(yīng)濾波器輸入?yún)⒖夹盘柅@得了額外23 dB 的增益效果。同時，對比了NLMS 與RLS-DCD算法在進(jìn)行SIC 時的性能差異，結(jié)果表明當(dāng)RLS-DCD 與NLMS 達(dá)到相同的穩(wěn)態(tài)效果時，RLS-DCD 具備更高的收斂速度。文獻(xiàn)[18]提出了一種新型DAA-SIC 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了數(shù)字預(yù)失真（DPD,Digital Pre-Distortion）補(bǔ)償以及記憶多項式（MP,Memory Polynomial）模型，首先通過DPD過程降低PA 非線性失真對發(fā)射信號的影響，再通過輔助鏈路及衰減器獲取發(fā)射信號，然后對發(fā)射信號中DPD 過程未能完全補(bǔ)償?shù)姆蔷€性部分通過MP 模型進(jìn)行建模與重構(gòu)，并將重構(gòu)結(jié)果作為數(shù)字域自適應(yīng)濾波器輸入?yún)⒖夹盘?，最后對在輔助鏈路不同有效量化位數(shù)下的系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可在一定程度上降低非線性失真分量及輔助鏈路有效量化位數(shù)對SIC 性能的影響。文獻(xiàn)[19]除針對PA 非線性失真影響外，還考慮了接收端前置放大器的非線性失真影響，采用一種非線性均衡器模型實現(xiàn)了對前置放大器非線性失真均衡。從實時實現(xiàn)的角度出發(fā)，文獻(xiàn)[20]結(jié)合半實物仿真系統(tǒng)在時變水聲信道下實現(xiàn)了對3 kHz 單載波自干擾信號的抵消，所述系統(tǒng)基于LMS 算法在一定步長設(shè)定下實現(xiàn)了近55 dB 的實時自干擾抵消效果。文獻(xiàn)[21]基于實測自干擾信道結(jié)果，結(jié)合多通道判決反饋均衡器，提出了一種迭代IBFD-UWAC 系統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)，在湖試中實現(xiàn)了80 m 的性能演示，當(dāng)自干擾源強(qiáng)度降低10 dB 時，IBFD 通信距離可以擴(kuò)大到170 m。文獻(xiàn)[22]提出了一種將基擴(kuò)展模型方法與滑動窗口RLS（SRLS,Sliding-window RLS）算法相結(jié)合的低復(fù)雜度內(nèi)插自適應(yīng)濾波器，仿真及湖試結(jié)果表明該改進(jìn)型自適應(yīng)濾波器較經(jīng)典SRLS 具備更低的復(fù)雜度，同時在所搭建的IBFD-UWAC 系統(tǒng)中實現(xiàn)了超過50 dB 的干擾抵消效果。

考慮到上文所述的自干擾傳播信道特征，同時結(jié)合目前已有外場實測數(shù)據(jù)處理過程的文獻(xiàn)來看，多數(shù)SIC系統(tǒng)都采用自適應(yīng)濾波器或其變型對自干擾信號進(jìn)行信道估計、重構(gòu)與抵消，這意味著在目前階段自適應(yīng)濾波器是最適宜SIC 的手段之一，結(jié)合前文所述的四點自干擾信道特性可知，若以實現(xiàn)IBFD-UWAC 系統(tǒng)為目標(biāo)，則需對現(xiàn)有自適應(yīng)濾波器性能提出以下要求：

（1）以SIC 性能為指標(biāo)，自適應(yīng)濾波器需具有較好的穩(wěn)態(tài)性能（SIC 性能上限）；

（2）以時變自干擾信道特征為先驗信息，自適應(yīng)濾波器需在較長的信道時延下具備較高的收斂效率，同時具備能夠?qū)ψ兓淖愿蓴_信道快速反應(yīng)的能力；

（3）以實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，IBFD-UWAC 系統(tǒng)中的自適應(yīng)濾波器在迭代過程中算法復(fù)雜度應(yīng)在不影響SIC 性能的基礎(chǔ)上盡可能低；

（4）除SIC 性能為指標(biāo)外，考慮最終以實現(xiàn)順利解調(diào)為目的，需以信干比（SIR,Signal to Interference Ratio）作為指標(biāo)進(jìn)一步衡量自適應(yīng)濾波器性能。

上述基本也是自適應(yīng)濾波器重要的研究方向，相關(guān)技術(shù)包括但不僅限于變步長（VSS,Variable Step Size）LMS 濾波器[23]、改進(jìn)型比例歸一化（IPN,Improved Proportionate Normalized）LMS 濾波器[24]、變遺忘因子（VFF,Variable Forgetting Factor）RLS 濾波器[25]、其他改進(jìn)型RLS 濾波器[22]等。

同時從上述文獻(xiàn)中可知，在以工程實現(xiàn)的角度出發(fā)進(jìn)行SIC 時，需考慮到電路器件對系統(tǒng)性能的影響，而這一點在傳統(tǒng)的以半雙工體制為主的UWAC 設(shè)備中基本很少被考慮到，但亦可對半雙工體制UWAC 系統(tǒng)起到一定性能提升的作用，如在了解非線性器件的影響后，可考慮針對發(fā)射機(jī)PA 部分進(jìn)行優(yōu)化，降低實際發(fā)射的通信信號的畸變，從而在一定程度上提升系統(tǒng)的性能。

除上述提及的硬件影響外，筆者在此分享一些在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題?，F(xiàn)有的諸多研究結(jié)果都以是否可將自干擾降低至本底噪聲門限作為性能評價依據(jù)，但在實際電聯(lián)調(diào)測試中發(fā)現(xiàn)由于輔助鏈路的存在，將導(dǎo)致數(shù)字域本底噪聲較大，因此需考慮在模擬及數(shù)字電路中采取一定的措施如增加磁珠隔離、縮短共地線等，對噪聲進(jìn)行進(jìn)一步壓制。在對減法器（亦或稱為合并器）性能實測過程中，還發(fā)現(xiàn)抵消性能存在周期性波動，經(jīng)過分析可知該波動大概率來源于采樣率偏差，該偏差將導(dǎo)致重構(gòu)自干擾與自干擾信號之間存在相位差異，這將直接降低抵消性能。下面將針對上述總結(jié)內(nèi)容，就SIC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)研究框架進(jìn)行詳細(xì)說明。

2 IBFD-UWAC SIC技術(shù)研究框架與思路

針對上文研究現(xiàn)狀與實驗結(jié)果分析以及電聯(lián)調(diào)實現(xiàn)過程發(fā)現(xiàn)的問題，提出一種具有一定實用性的IBFDUWAC SIC 技術(shù)研究框架，體現(xiàn)了各域SIC 間的相互聯(lián)系、制約及促進(jìn)作用，具體如圖2 所示。

圖2 IBFD-UWAC SIC技術(shù)研究框架

空間域與傳播域在空間上屬同一范圍，但在傳播域上的處理以自干擾信號在傳播過程中的信道多途結(jié)構(gòu)建模為主，因此命名為傳播域；而空間域自干擾抑制主要通過物理隔離、波束形成等技術(shù)，屬利用空間及多路接收獲得增益效果，因此命名為空間域，為使其意義清晰，特在此進(jìn)行區(qū)分。

從傳播域上看，自干擾傳播信道呈現(xiàn)長時延、高復(fù)雜度、局部穩(wěn)定性（環(huán)路自干擾部分）、時變性的特征，因此在研究中可基于現(xiàn)有研究經(jīng)驗，以不同的信道估計方法分別對環(huán)路自干擾與多途自干擾進(jìn)行信道估計，同時基于實測數(shù)據(jù)充分研究自干擾信道特性并嘗試進(jìn)行建模，以便當(dāng)實測數(shù)據(jù)不足時，為后續(xù)模擬域、數(shù)字域SIC技術(shù)研究中的自干擾信道假設(shè)提供合理依據(jù)。此處可包含但不僅限于環(huán)路自干擾信道建模、時變多途自干擾信道建模、基于基擴(kuò)展模型的時變信道跟蹤等。

從模擬域上看，由于受到器件影響，該部分SIC 過程顯得尤為復(fù)雜，需合理應(yīng)對功率器件、功能器件（衰減器、合并器等）、前置放大器對SIC 性能的影響，其中不同于無線電通信系統(tǒng)中的功率放大模塊特征，水聲類功放往往需對電容進(jìn)行充電以達(dá)到所期望的發(fā)射聲源級，但在IBFD-UWAC 系統(tǒng)中，這意味著記憶效應(yīng)的增強(qiáng)，因此需提高模型記憶深度（階數(shù)），當(dāng)參數(shù)設(shè)定小于實際情況時，模型擬合效果將下降。模擬域SIC 過程中，需應(yīng)對更為復(fù)雜的信道條件，同時要對時變部分信道（SMI）及緩慢變化信道（SLI）分別進(jìn)行抵消，其中可采用組合形式，即“固定延遲濾波器+自適應(yīng)濾波器組合”或“DAA-SIC 結(jié)構(gòu)”，若引入DAA-SIC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)字域SIC 算法的性能提升可帶動模擬域SIC 性能的提升。同時，若以獨(dú)立的數(shù)字域SIC 為研究方向，則該部分SIC效果可結(jié)合總的干擾抵消需求為數(shù)字域SIC 研究中自干擾及期望信號強(qiáng)度提供合理假設(shè)。

從數(shù)字域上看，可以時變自干擾信道特征為研究導(dǎo)向，以改進(jìn)型自適應(yīng)濾波器為研究路線，以電路影響因素作為算法性能影響變量，并以SIR 作為進(jìn)一步的性能指標(biāo)。該部分為SIC 技術(shù)研究中的最主要內(nèi)容，但其也將受到其他域的影響，如若模擬域SIC 性能過強(qiáng)，則數(shù)字域SIC效果會出現(xiàn)明顯下降的情況。考慮到該部分為SIC 過程的最后階段，在當(dāng)SIC 完成后，需保證通信系統(tǒng)順利解調(diào)，因此可以通信系統(tǒng)誤碼率（BER,Bit Error Rate）為指標(biāo)，為模擬域、數(shù)字域SIC 量的分配提供依據(jù)。

從空間域上看，目前主要集中于物理隔離、空間指向性、多路信號處理增益方面，可針對上述方向進(jìn)行進(jìn)一步研究，但考慮到上述手段對自干擾信號產(chǎn)生的影響，因此需以不影響（或較小程度影響）后續(xù)SIC 為前提，以最大程度降低直達(dá)自干擾為目標(biāo)，研究空間域自干擾抑制技術(shù)。

3 結(jié)束語

本文針對目前IBFD-UWAC SIC 技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡述，并基于研究現(xiàn)狀、外場實驗結(jié)果及系統(tǒng)電聯(lián)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的新問題，對IBFD-UWAC SIC 過程中現(xiàn)存的問題進(jìn)行了總結(jié)與分析，提出了一定實用性的IBFDUWAC SIC 技術(shù)研究框架與思路。作為6G 潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，IBFD 技術(shù)不僅可以應(yīng)用于新一代通信技術(shù)中，還能夠改變現(xiàn)有水下信息交互方式，極大地提升水下通信網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。此外，6G 中的其他關(guān)鍵技術(shù)的研究內(nèi)容與突破亦可為水下通信網(wǎng)絡(luò)帶來增益效果及新的思路，如統(tǒng)一的編譯碼架構(gòu)，適用于IBFD-UWAC 系統(tǒng)的不同波形設(shè)計方案以及非正交多址接入技術(shù)等。