IBFD无线通信系统自干扰的研究范文

摘要:

带内全双工技术已经成为提高无线通信系统吞吐量的一种有效方案，然而，该技术中存在的自干扰信号将严重影响带内全双工系统的性能。首先分析了现有的无线带内全双工通信系统中存在的自干扰，并根据干扰的来源将干扰信号分为三类干扰源。然后，分析了现有的一些自干扰抑制技术的抑制效果及影响因素，并据此明确后续研究的方向。

关键词:

带内全双工;自干扰;干扰抵消

引言

随着信息化时代的前进，无线网络已经成为了人们生活中不可或缺的部分。无线网络的不断改革对于本已紧缺的无线频谱资源的需求日渐旺盛，进而要求通信系统具备更高的频谱效率。在提高频谱效率的诸多途径中，带内全双工(In-bandFull-Duplex，IBFD)获得了较多的关注。当今通信系统中的终端大多可同时作为发射机和接收机，然而，这些设备通常以半双工或带外全双工的方式工作，这意味着它们要么在不同时间段要么在不同频段进行数据收发。一旦实现了同时在同频段进行数据的收发，理论上即可加倍无线通信系统的频谱效率。目前，带内全双工没有被广泛应用的主要原因在于自干扰的存在。自干扰指的是IBFD终端发射机发射的信号对接收机接收的信号产生干扰。实现了IBFD自干扰的抵消，即可在理论上实现带内全双工。本文重点分析无线带内全双工通信系统中不同类型的自干扰以及现有的一些自干扰抑制技术。

1IBFD系统中自干扰分析

本部分详细介绍IBFD无线通信系统中不同类型的自干扰。为了更好地分析IBFD自干扰，以图1所示的IBFD终端模型［1］结合实际的工作环境来阐述这一问题。图1所示IBFD终端模型采用了共用天线(环形器)的方式。发送信号过程中，IBFD终端先将发送信号流进行编码和调制，这些数字信号先后经过DAC转换为模拟信号，经过高频载波器变为高频信号，然后经过高功率放大器(HPA)以及环形器，最后通过发送天线辐射出去。接收过程中，接收信号经过环形器之后，也要经过前述类似的过程。在图1中指出了3种自干扰类型，下面分别介绍。

1．1环形器信号泄漏

环形器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行，反方向是隔离的。在近代雷达和微波多路通信系统中都要用单方向环行特性的器件。环形器的原理是磁场偏置铁氧体材料各向异性特性［2］，改变磁场偏置方向就可以相应地改变环行方向。环形器的反向隔离只是理想情况，实际中环形器不可能做到绝对的隔离，因此会造成不同程度的信号泄漏。

1．2多天线间直接路径干扰

由于IBFD终端多天线距离较近，当某个接收天线要接收的信号频率与其他天线发射信号的频率相同或相近时即会产生干扰。目前针对天线间的干扰一般采用的方法是将路径损耗、交叉极化以及定向天线等技术联合起来进行干扰消除。1．3外界反射路径干扰当IBFD天线发射出的信号经过外界物质反射回来便可能被接收器接收，造成反射路径干扰，并且室内环境所造成的反射干扰会强于室外环境。虽然反射路径干扰在IBFD系统的全部干扰中只占据了较小的一部分，但却是较为复杂的一部分，因为在系统设计时是无法知道信道特性的。

2IBFD系统自干扰研究及成果

本节讨论现有对于IBFD系统中各个部分的干扰所做的研究及其成果，主要包括干扰抑制的程度以及其影响因素。

2．1环形器信号泄漏

这部分介绍三种不同的环形器:铁氧体微带Y型环形器、CMOS有源环形器和微带方向耦合器环形器。

2．1．1铁氧体微带

Y型环形器现代通信中，微波铁氧体环形器发挥了重要作用。根据HARTWIGCP［3］的理论，环形器的最大带宽正比于铁氧体薄膜的厚度和整体厚度的比值，参考文献［4］提出了一种改进的铁氧体薄膜材料的微带Y型环形器，由于底部引入了小洞，铁氧体薄膜的厚度和环形器总厚度之比显著减小。参考文献［4］给出的仿真结果表明，在30．5GHz附近，环形器的插入损耗低于1dB，隔离度大约为28dB;最大隔离度在26．4GHz附近约为44dB;最小插入损耗在25．7GHz附近约为27dB。

2．1．2CMOS有源环行器

参考文献［5］介绍了一种有源CMOS环形器，该环形器结构图如图2所示。该环形器主要由3个4端口耦合器和3个双向放大器组成环路。图2有源CMOS环形器结构图根据参考文献［5］中的仿真结果可以得到，在60～75GHz范围内插入损耗大约是7．4dB，62～80GHz的隔离度约是18dB，并且未来可以通过对有源设备和电容器等的损耗进行更有效的建模来获得更高的环形器性能。

2．1．3微带方向耦合器环形器

传统微带方向耦合器环形器［6］，由于非均匀介电材料以及不同的模态相速度导致其隔离度较低，参考文献［7］提出了改进型微带方向耦合器环形器。该环形器不仅采用了相速补偿的方法，而且考虑到了方向耦合器自身以及所用天线的输入阻抗。根据参考文献［7］的仿真结果可知，在910MHz附近，传统方向耦合器的隔离度约为23．5dB，而改进型的环形器则约为58．3dB;在908．5MHz附近达到了最高的68．8dB，这已经提高了超过45dB的抵消程度。

2．2多天线间直接路径干扰

针对多天线间直接路径干扰所采取的措施主要有天线路径损耗抵消技术、收发天线交叉极化和定向天线技术。

2．2．1天线路径损耗抵消技术

目前广泛采用的天线抵消技术利用两个或多个发射天线产生的相消干扰来达到干扰抵消的目的。图3是天线干扰抵消技术天线示意图［8］，λ为发射信号波长，d和(d+λ/2)分别为接收天线与两根发射天线的距离，由于相差半个波长，因此接收天线接收到的发射信号将会有π的相位差，叠加起来理论上就可抵消干扰。该技术能够实现的衰减程度大约在20dB，分析可知，实际抵消效果对收发天线间距离以及发射信号的幅度比较敏感。因此要提高天线抵消技术的性能必须尽可能确保天线间距离满足条件，信号幅度匹配。

2．2．2定向天线技术和天线交叉极化

定向天线是指在一定角度范围内电磁波辐射较强，而在其他的方向上发射电磁波为零或极小的一种天线。利用这一原理，只要收发天线互不在对方的辐射角度范围内，则可较高程度地减少天线间的自干扰。天线交叉极化技术是指发射天线和接收天线的极化方式不同，即一个水平极化、一个垂直极化，这样发射天线发射的信号就不会被接收天线接收。参考文献［9］中，研究人员做了多组不同参数的实验，结果表明，采用定向天线和交叉极化技术组合的方案能够实现超过70dB的自干扰抑制效果，然而这只是在较低反射的室内，一旦环境反射干扰较强时，自干扰抵消效果将大打折扣，最高约为45dB。

2．3外界反射路径干扰

前述干扰抑制技术的最大阻碍大都来自反射路径干扰。反射路径的干扰是IBFD系统各种自干扰中最复杂也是最难处理的，因为它的信道特性在系统设计时是不可知的。关于反射路径干扰的抑制目前还没有较好的方法，但是本文认为通过对反射路径信道建模之后是可以抵消自干扰信号的，当然这也需要对反射信道进行精确的信道估计。

3结论

本文分析了现有的无线带内全双工通信系统中存在的自干扰，并将干扰信号分成了三类干扰源。另外，在基于前人广泛研究的基础上，简要介绍了现有自干扰抑制技术，包括其干扰抵消效果和影响因素。最后，提出抑制自干扰并且实现IBFD技术的关键在于实现反射路径干扰的抑制，从而确立了下一步研究的方向。

参考文献

［6］徐立勤，仲进．用于LTE移动通信的宽带定向耦合器设计［J］．微型机与应用，2015，34(3):60-62，66．

作者：叶伟 单位：南京邮电大学