IBFD無線通信系統自干擾的研究范文

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摘要:

帶內全雙工技術已經成為提高無線通信系統吞吐量的一種有效方案，然而，該技術中存在的自干擾信號將嚴重影響帶內全雙工系統的性能。首先分析了現有的無線帶內全雙工通信系統中存在的自干擾，并根據干擾的來源將干擾信號分為三類干擾源。然后，分析了現有的一些自干擾抑制技術的抑制效果及影響因素，并據此明確后續研究的方向。

關鍵詞:

帶內全雙工;自干擾;干擾抵消

引言

隨著信息化時代的前進，無線網絡已經成為了人們生活中不可或缺的部分。無線網絡的不斷改革對于本已緊缺的無線頻譜資源的需求日漸旺盛，進而要求通信系統具備更高的頻譜效率。在提高頻譜效率的諸多途徑中，帶內全雙工(In-bandFull-Duplex，ibfd)獲得了較多的關注。當今通信系統中的終端大多可同時作為發射機和接收機，然而，這些設備通常以半雙工或帶外全雙工的方式工作，這意味著它們要么在不同時間段要么在不同頻段進行數據收發。一旦實現了同時在同頻段進行數據的收發，理論上即可加倍無線通信系統的頻譜效率。目前，帶內全雙工沒有被廣泛應用的主要原因在于自干擾的存在。自干擾指的是IBFD終端發射機發射的信號對接收機接收的信號產生干擾。實現了IBFD自干擾的抵消，即可在理論上實現帶內全雙工。本文重點分析無線帶內全雙工通信系統中不同類型的自干擾以及現有的一些自干擾抑制技術。

1IBFD系統中自干擾分析

本部分詳細介紹IBFD無線通信系統中不同類型的自干擾。為了更好地分析IBFD自干擾，以圖1所示的IBFD終端模型［1］結合實際的工作環境來闡述這一問題。圖1所示IBFD終端模型采用了共用天線(環形器)的方式。發送信號過程中，IBFD終端先將發送信號流進行編碼和調制，這些數字信號先后經過DAC轉換為模擬信號，經過高頻載波器變為高頻信號，然后經過高功率放大器(HPA)以及環形器，最后通過發送天線輻射出去。接收過程中，接收信號經過環形器之后，也要經過前述類似的過程。在圖1中指出了3種自干擾類型，下面分別介紹。

1．1環形器信號泄漏

環形器是一個多端口器件，其中電磁波的傳輸只能沿單方向環行，反方向是隔離的。在近代雷達和微波多路通信系統中都要用單方向環行特性的器件。環形器的原理是磁場偏置鐵氧體材料各向異性特性［2］，改變磁場偏置方向就可以相應地改變環行方向。環形器的反向隔離只是理想情況，實際中環形器不可能做到絕對的隔離，因此會造成不同程度的信號泄漏。

1．2多天線間直接路徑干擾

由于IBFD終端多天線距離較近，當某個接收天線要接收的信號頻率與其他天線發射信號的頻率相同或相近時即會產生干擾。目前針對天線間的干擾一般采用的方法是將路徑損耗、交叉極化以及定向天線等技術聯合起來進行干擾消除。1．3外界反射路徑干擾當IBFD天線發射出的信號經過外界物質反射回來便可能被接收器接收，造成反射路徑干擾，并且室內環境所造成的反射干擾會強于室外環境。雖然反射路徑干擾在IBFD系統的全部干擾中只占據了較小的一部分，但卻是較為復雜的一部分，因為在系統設計時是無法知道信道特性的。

2IBFD系統自干擾研究及成果

本節討論現有對于IBFD系統中各個部分的干擾所做的研究及其成果，主要包括干擾抑制的程度以及其影響因素。

2．1環形器信號泄漏

這部分介紹三種不同的環形器:鐵氧體微帶Y型環形器、CMOS有源環形器和微帶方向耦合器環形器。

2．1．1鐵氧體微帶

Y型環形器現代通信中，微波鐵氧體環形器發揮了重要作用。根據HARTWIGCP［3］的理論，環形器的最大帶寬正比于鐵氧體薄膜的厚度和整體厚度的比值，參考文獻［4］提出了一種改進的鐵氧體薄膜材料的微帶Y型環形器，由于底部引入了小洞，鐵氧體薄膜的厚度和環形器總厚度之比顯著減小。參考文獻［4］給出的仿真結果表明，在30．5GHz附近，環形器的插入損耗低于1dB，隔離度大約為28dB;最大隔離度在26．4GHz附近約為44dB;最小插入損耗在25．7GHz附近約為27dB。

2．1．2CMOS有源環行器

參考文獻［5］介紹了一種有源CMOS環形器，該環形器結構圖如圖2所示。該環形器主要由3個4端口耦合器和3個雙向放大器組成環路。圖2有源CMOS環形器結構圖根據參考文獻［5］中的仿真結果可以得到，在60～75GHz范圍內插入損耗大約是7．4dB，62～80GHz的隔離度約是18dB，并且未來可以通過對有源設備和電容器等的損耗進行更有效的建模來獲得更高的環形器性能。

2．1．3微帶方向耦合器環形器

傳統微帶方向耦合器環形器［6］，由于非均勻介電材料以及不同的模態相速度導致其隔離度較低，參考文獻［7］提出了改進型微帶方向耦合器環形器。該環形器不僅采用了相速補償的方法，而且考慮到了方向耦合器自身以及所用天線的輸入阻抗。根據參考文獻［7］的仿真結果可知，在910MHz附近，傳統方向耦合器的隔離度約為23．5dB，而改進型的環形器則約為58．3dB;在908．5MHz附近達到了最高的68．8dB，這已經提高了超過45dB的抵消程度。

2．2多天線間直接路徑干擾

針對多天線間直接路徑干擾所采取的措施主要有天線路徑損耗抵消技術、收發天線交叉極化和定向天線技術。

2．2．1天線路徑損耗抵消技術

目前廣泛采用的天線抵消技術利用兩個或多個發射天線產生的相消干擾來達到干擾抵消的目的。圖3是天線干擾抵消技術天線示意圖［8］，λ為發射信號波長，d和(d+λ/2)分別為接收天線與兩根發射天線的距離，由于相差半個波長，因此接收天線接收到的發射信號將會有π的相位差，疊加起來理論上就可抵消干擾。該技術能夠實現的衰減程度大約在20dB，分析可知，實際抵消效果對收發天線間距離以及發射信號的幅度比較敏感。因此要提高天線抵消技術的性能必須盡可能確保天線間距離滿足條件，信號幅度匹配。

2．2．2定向天線技術和天線交叉極化

定向天線是指在一定角度范圍內電磁波輻射較強，而在其他的方向上發射電磁波為零或極小的一種天線。利用這一原理，只要收發天線互不在對方的輻射角度范圍內，則可較高程度地減少天線間的自干擾。天線交叉極化技術是指發射天線和接收天線的極化方式不同，即一個水平極化、一個垂直極化，這樣發射天線發射的信號就不會被接收天線接收。參考文獻［9］中，研究人員做了多組不同參數的實驗，結果表明，采用定向天線和交叉極化技術組合的方案能夠實現超過70dB的自干擾抑制效果，然而這只是在較低反射的室內，一旦環境反射干擾較強時，自干擾抵消效果將大打折扣，最高約為45dB。

2．3外界反射路徑干擾

前述干擾抑制技術的最大阻礙大都來自反射路徑干擾。反射路徑的干擾是IBFD系統各種自干擾中最復雜也是最難處理的，因為它的信道特性在系統設計時是不可知的。關于反射路徑干擾的抑制目前還沒有較好的方法，但是本文認為通過對反射路徑信道建模之后是可以抵消自干擾信號的，當然這也需要對反射信道進行精確的信道估計。

3結論

本文分析了現有的無線帶內全雙工通信系統中存在的自干擾，并將干擾信號分成了三類干擾源。另外，在基于前人廣泛研究的基礎上，簡要介紹了現有自干擾抑制技術，包括其干擾抵消效果和影響因素。最后，提出抑制自干擾并且實現IBFD技術的關鍵在于實現反射路徑干擾的抑制，從而確立了下一步研究的方向。

參考文獻

［6］徐立勤，仲進．用于LTE移動通信的寬帶定向耦合器設計［J］．微型機與應用，2015，34(3):60-62，66．

作者：葉偉 單位：南京郵電大學