全双工通信中的自干扰消除技术

中国科学技术大学本科毕业论文

题目全双工通信中的自干扰消除技术

英文The Technology of Self-Interference Cancellation in Full Duplex Communication

院系信息学院电子工程与信息科系

姓名金鹏飞

学号PB10210270

导师张四海

日期2014年6月

目录

摘要 (2)

第一章引言 (3)

1.1 背景资料 (3)

1.2 选题意义 (6)

1.3 我的任务 (7)

第二章无线传输技术综述 (8)

2.1 无线传输的历史及发展 (8)

2.2 TDD和FDD (9)

2.3 CDMA (14)

2.4 同时同频全双工 (16)

第三章天线干扰消除 (19)

3.1 天线消除原理 (19)

3.2 天线消除效果 (20)

3.3 小结 (31)

第四章射频干扰消除 (31)

4.1 射频消除概念 (31)

4.2 射频消除效果 (32)

第五章数字干扰消除 (33)

5.1 数字消除原理 (33)

5.2 数字消除理论推导 (33)

5.3 数字干扰消除分析与小结 (38)

第六章结束语 (38)

参考资料 (39)

致谢 (41)

摘要

要实现全双工通信，要克服诸多困难，其中最主要的瓶颈就是收发机的自干扰问题。当发射机发送某个信号时，其中的部分能量会被自身的接收装置接收到。如果正好发送与接收信号同频率，就会产生干扰。并且由于信号源离自身的接收机很近，所以自己发射出去的信号能量可能会比接收到的信号能量大，甚至高达100dB以上。为了能正确解码所需要接收的信号，就要求我们的自干扰消除性能至少达到100dB。目前世界上所研究的都是多级消除，即天线干扰消除、射频干扰消除、数字干扰消除等来达到更好的消除性能。其中天线干扰消除一般可达40+dB，射频域和数字域干扰消除均可达30+dB，已能初步满足实验条件下的全双工通信。

关键词: 全双工、自干扰、干扰消除

Abstract

To achieve full-duplex communication must overcome many difficulties, and what the most important is the self-interference of transceiver. When a transmitter transmits a signal, part of the energy will be received by the itself. If you send and receive signals exactly the same frequency will cause interference. Since the signal source and the receiver are placed close, the signal transmited by itself may be stronger than the received signal, even up to more than 100dB. In order to correctly decode the received signal, it is required that the performance of interference achieve at least 100dB. The study of the world are multi-stage elimination, such as antenna interference cancellation, RF interference cancellation and digital interference cancellation to achieve better elimination. Which antenna interference cancellation generally up to 40 + dB, and the interference cancellation of RF domains and digital

domains can be up to 30 + dB, has been able to meet the initial full-duplex communication under experimental conditions.

Keyword：full-duplex , self-interference , interference cancellation

第一章引言

1.1 背景资料

从烽火狼烟到现在的移动无线设备，人类的通信方式发生了质的飞跃。自从1864年著名物理学家麦克斯韦语言了电磁波存在以及1887年著名物理学家赫兹验证了电磁波之后，无线通信技术开始慢慢渗入我们的生活。

本文主要研究了现代移动通信技术的最新成果以及发展趋势。从20世纪初开始运营的第一代移动通信系统——模拟移动通信系统到第二代数字移动通信系统GSM及窄带CDMA再到第三代基于话音业务为主的支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，我们的通信质量在提高，我们的要求也越来越高，所以我们的通信技术仍然没有停止发展的脚步……随着工信部为中国三大运营商颁发4G 牌照，标志着新一代移动通信系统正式投入商用。与此同时，下一代无线通信技术——第五代移动通信技术也正在各个国家研究机构如火如荼的进行着……没有最好，只有更好，我们的通信技术正在朝更快速，更高效，更小错误率的方向发展。

第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟蜂窝电话标准，只能语音通信，该标准于上世纪80年代制定。模拟移动通信系统是蜂窝移动通信系统发展的早期阶段，在1946年，第一种公众移动电话服务被引进到美国的25个主要城市，每个系统使用单个大功率的发射机和高塔，覆盖地区超过50公里，但仅能以半双工模式提供语音服务，却使用120kHz带宽。虽然经过了后来技术的进步而提

高了频谱使用效率，提供了全双工、自动拨号等功能，但提供的服务由于频道的数量很少以及呼叫阻塞等原理不能满足使用。在50和60年代，AT&T的贝尔实验室和全世界其他的通信公司发展了蜂窝无线电话的原理和技术。利用在地域上将覆盖范围划分成小单元，每个单元复用频带的一部分以提高频带的利用率，即利用在干扰受限的环境下，依赖于适当的频率复用规划（特定地区的传播特性）和频分复用（FDMA）来提高容量。从而实现了真正意义上的蜂窝移动通信。

由于受到传输带宽的限制，模拟移动通信系统不能进行长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等，正是如此，模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。

正是由于第一代模拟移动通信系统的诸多不足，比如不能全球漫游，由此诞生了第二代移动通信系统。GSM是Global System for Mobile Communication“全球移动通信系统”的简称。它是一种数字移动通信，较之以往的模拟移动通信，有较多的优点。首先，客户与设备分离(人机分开)。在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口，这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。在SIM卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加密算法等，只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台，得到卡内存储的各种业务的服务，大大方便了客户，大大增强了GSM通信的移动性，也大大地增强了各生产厂家的设备的共享性。其次，通信安全可靠。因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以它属于智能卡。最后，其成本低。它比电话磁卡的成本低，并且质地结实耐用，易于推广。

近年来，第三代移动通信技术正蓬勃发展，这种支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百Kbps以上。3G系统致力于为用户提供更好的语音、文本和数据服务。与现有的技术相比较而言，3G 技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。3G将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合，成为了继第二代移动通信技术之后的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。

中国国内支持国际电联确定三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA，中国移动的TD-SCDMA，GSM设备采用的是时分多址，而CDMA使用码分扩频技术，先进功率和话音激活至少可提供大于3倍GSM网络容量，业界将CDMA技术作为3G的主流技术，3G主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。目前已有538个WCDMA运营商在246个国家和地区开通了WCDMA网络，3G商用市场份额超过80%，而WCDMA向下兼容的GSM网络已覆盖184个国家，遍布全球，WCDMA用户数已超过6亿。

随着生活水平的不断提高，人们对科技的需求也越来越大，于是第四代移动通信技术应运而生。4G的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

第四代移动通信系统采用TD-LTE标准。LTE是基于OFDMA技术、由3GPP 组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式用于成对频谱和非成对频谱。LTE标准中的FDD和TDD两个模式实质上是相同的，两个模式间只存在较小的差异，相似度达90%。TDD即时分双工(Time Division Duplexing)，是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD频分双工相对应。但是TD-LTE与中国移动公司采用的第三代标准TD-SCDMA实际上没有关系，TD-LTE是TDD版本的LTE的技术，FDD-LTE的技术是FDD版本的LTE技术。TD-SCDMA是CDMA （码分多址）技术，TD-LTE是OFDM（正交频分复用）技术。两者从编解码、帧格式、空口、信令，到网络架构，都不一样。

不过第四代通信技术仍然是采用半双半通信，为了让通信技术进一步发生质的飞跃，全双工通信的概念渐渐凸显出了其重要性。对于目前正在筹划阶段的5G网络来说，全双工是一个核心技术。

另外，目前频谱利用率还不理想，频谱段紧缺，这也推动了新一代移动通信技术的研发进程。虽然第五代移动通信技术目前还没有一个具体标准，不过通信

相关的科研人员已经开始着手筹备5G相关工作了。

1.2 选题意义

1、全双工通信的概念

全双工通信又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息的信息交互方式。无线领域的全双工强调相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，这样就使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。

同时同频全双工(CCFD)近端设备与远端设备的无线业务相互传输发生在同样的时间、相同的频率带宽上，这与现有的时分双工(TDD: Time Division Duplexing)和频分双工(FDD: Frequency Division Duplexing)体制相比，理论频率效率可以提升1倍。

2、全双工通信的优势及前景

作为新一代移动通信技术的核心，全双工通信动摇了人们脑海中已经根深蒂固的观点：收发机在同一信道下只能在半双工模式下工作（既能发送也能接收，但不能同时进行）。目前斯坦福大学和莱斯大学的研究人员，联合业内其他一些学术组，提出了多种带内全双工收发机的设计方案。如果可以实现的话，全双工将对网络设计带来巨大的影响，可以在无线通信系统中发挥多种作用，诸如：

a、提高链路容量：理论上讲，真正的全双工可以使传统的半双工信道容量翻倍，因为可用频谱资源能在时间和频率上得到充分的使用。

b、频谱虚拟化：全双工可以看成是FDD的一种极端情况，只不过它的两个信道是完全重叠的，并且利用SIC技术可以将成对的同频率的发送和接收信号分离开来。本质上，它就像是一个软件控制的双工器，不仅可以减少维持多种零碎频谱的成本，并且使无线收发机更有效地利用零散频谱。

c、任何分（ADD）双工：SIC消除了TDD和FDD之间的区别，TDD将会被带内全双工取代，而传统的FDD则大大受益于SIC的可配置性。

d、新颖的中继解决方案：应用自干扰消除技术，频谱资源可以同时在发送

和接收端进行复用，使异构网络能够实现几乎瞬时重发和高吞吐量的网络操作。

e、增强干扰协调能力：在传送数据时同时接收反馈信息（如控制信道指令），能够缩短无线接口的延迟，有利于干扰协调技术及时间/相位同步技术的作用。

1.3 我的任务

1、全双工通信中的自干扰现象

全双工有着如此巨大的好处，为什么直到目前为止还处在试验阶段？因为要实现全双工通信，要克服诸多困难，其中最主要的瓶颈就是收发机的自干扰问题。如图1所示，当发射机发送某个信号时，其中的部分能量会被自身的接收装置接收到。如果正好发送与接收信号同频率，就会产生干扰。并且由于信号源离自身的接收机很近，所以自己发射出去的信号能量可能会比接收到的信号能量高数十亿倍（100dB+）。打个比方，要想同时同频发送和接收就相当于当你尽最大能力大声呼喊的同时试图听别人说悄悄话，这显然是不太可能的。这个问题一直未能解决，所以到目前为止无线通信设备都只能以半双工模式工作，比如TDD，在同一频率下将发送和接收信号的时间错开来避免自干扰。

鉴于自干扰的存在，或许只能进行半双工通信。但是如果收发机能够完全消除自干扰，未来的无线通信网络将会有怎样的改变呢？目前，通过在现实世界环境中的几组现场演示结果来看，自干扰消除技术（SIC）已经在工业界和学术界取得了巨大的进步，这也为未来网络新的技术变革带来了福音。

2、自干扰的消除方法

为什么自干扰消除会成为阻碍全双工通信技术发展的瓶颈？很多人认为，既然发送方知道被发送信号的相关参数，所以即使自身的接收机误接收了这些发送信号，过滤它们应该也是相对容易实现的。但在实际中，却并非那么简单：尽管无线收发机确切知道被发送的数字基带信号，但是一旦该信号转变成模拟信号，并且还加上载波进行上变频之后，那么被发送信号和原来的基带信号会大不相同。因为在无线设备天线中的许多电子电路会使信号发生失真，既包括线性失真也含有非线性失真，并且这些失真的模拟信号还会被加入噪声（例如功率放大

器会产生噪声干扰到发送信号中），所以天线发射出去的模拟信号是不准确的，并且不同频率信号还会有不同程度的时延和失真等等。由此可见，直接减去“已知的”基带信号而不考虑上述模拟失真是不行的。

SIC体系结构的目标就是对干扰进行建模来预测扭曲失真，这样就可以在接收机上对信号进行补偿。这其中有两个效应要注意：接收机饱和度和非线性自干扰。如果输入信号超出了由它们模数转换器决定的某个特定阀值，无线设备的接收机就会达到饱和。任何对数字信号采取的消除技术必须先对扭曲失真进行建模并且根据信号发生的变化随时进行调整。

第二章无线传输技术综述

2.1 无线传输的历史及发展

人类的无线通信历史不长，但是却一直在突发猛进的发展。1832年莫尔斯发明了电报，它传送的信息是由众所周知的点划码组成的，可以认为人类最早的无线通信是采用数字方式进行的。以后贝尔又发明了电话，并由此造就一个电信产业，这是一种模拟信号的方式来进行的无线通信。一个多世纪以来，以电话服务为主的电信业走了一条成功之路，取得了极大的发展。然而随着人类社会的发展，电信业务也从早期的电报、电话发展到今天多种业务并存的局面，通信的规模也发生了翻天覆地的变化。随着科学技术的发展，现代通信又进入了数字时代。20世纪90年代信息革命的浪潮，建设信息高速公路的号角声，信息和知识爆炸式的增长，特别是因特网商用化后的迅猛发展，使传统的电信业受到巨大的震动和冲击。带给我们的启示是，问题的核心在于“信息”。在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中，人们更加需要随时随地获取信息，原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。人类需要宽带的无线通信技术，来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。

无线通信是指采用电磁波进行信息传递的通信方式。早在1897年，马可尼使用800KHZ中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋

的线无电报通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信初期，受技术条件的限制，人们大量使用长波及中波进行通信。20世纪20年代初人们发现的短波通信，直到20世纪60年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。

20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽、性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。模拟调频传输容量高达2700路，亦可同时传输高质量彩色电视信号；尔号逐步进入中容量至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性变化。特别应该指出的是20世纪80年代到90年代发展起来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术，对现今卫星通信、移动通信、全数字HDTV传输、通用高速有线/无线接入，乃至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用，发挥了重要作用。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。

2.2 FDD和TDD

1、FDD与TDD概念

FDD（Frequency Division Duplexing），即频分双工，操作时需要两个独立的信道，一个信道用来向下传送信息，另一个信道用来向上传送信息，两个信道之间存在一个保护频段，以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。FDD 模式的特点是在分离（上下行频率间隔190MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保护频段来分离接收和传送信道。

TDD（Time Division Duplexing），即时分双工，是在帧周期的下行线路操作中及时区分无线信道以及继续上行线路操作的一种技术，也是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD相对应。

TDD与FDD具体的特征是：

FDD采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号，发射和接收信道之间存在着一定的频段保护间隔。

TDD的发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的，彼此之间采用一定的保证时间予以分离。它不需要分配对称频段的频率，并可在每信道内灵活控制、改变发送和接收时段的长短比例，在进行不对称的数据传输时，可充分利用有限的无线电频谱资源。

FDD和TDD原理图如下：

由上图可见，在TDD模式的移动通信系统中，接收和传送在同一频率信道(即载波)的不同时隙，用保证时间来分离接收和传送信道。FDD模式的特点是在分离（上下行频率间隔190MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保护频段来分离接收和传送信道。

2、TDD与FDD的对比

FDD系统是指系统的发送和接收数据使用不同的频率，在上行和下行频率之间有双工间隔，如GSM、CDMA、WCDMA系统都是典型的FDD系统；

时分双工系统则是系统的发送和接收使用相同的频段，上下行数据发送在时间上错开，通过在不同时隙发送上下行数据可有效避免上下行干扰，如TD-SCDMA就是TDD系统。TDD和FDD之间具体区别和联系如下：（1）使用TDD技术时，只要基站和移动台之间的上下行时间间隔不大，

小于信道相干时间，就可以比较简单的根据对方的信号估计信道特征。而对于一般的FDD技术，一般的上下行频率间隔远远大于信道相干带宽，几乎无法利用上行信号估计下行，也无法用下行信号估计上行；这一特点使得TDD方式的移动通信体制在功率控制以及智能天线技术的使用方面有明显的优势。但也是因为这一点，TDD系统的覆盖范围半径要小，由于上下行时间间隔的缘故，基站覆盖半径明显小于FDD基站。否则，小区边缘的用户信号到达基站时会不能同步。

（2）TDD技术可以灵活的设置上行和下行转换时刻，用于实现不对称的上行和下行业务带宽，有利于实现明显上下行不对称的互联网业务。但是，这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行。

（3）与FDD相比，TDD可以使用零碎的频段，因为上下行由时间区别，不必要求带宽对称的频段。

（4）TDD技术不需要收发隔离器，只需要一个开关即可。

（5）移动台移动速度受限制。在高速移动时，多普勒效应会导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越深，因此必须要求移动速度不能太高。例如在使用了TDD的TD-SCDMA系统中，在目前芯片处理速度和算法的基础上，当数据率为144kb/s时，TDD的最大移动速度可达250km/h，与FDD系统相比，还有一定差距。一般TDD移动台的移动速度只能达到FDD移动台的一半甚至更低。

（6）发射功率受限。如果TDD要发送和FDD同样多的数据，但是发射时间只有FDD的大约一半，这要求TDD的发送功率要大。当然同时也需要更加复杂的网络规划和优化技术。

根据FDD、TDD两种工作模式的特点，在移动通信网络中，它们各自有着不同的适用范围：采用FDD模式工作的系统是连续控制的系统，适应于大区制的国家和国际间覆盖漫游，适合于对称业务如话音、交互式适时数据等。采用TDD模式工作的系统是时间分隔控制的系统，适应于城市及近郊等高密度地区的局部覆盖和对称及不对称数据业务。特别是它的可不对称传输数据的功能，尤为适合接入当今世界流行的Internet。因为，在互联网的数据传输过程中，往往要求下行速率远远大于上行速率。

FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。

TDD用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中,接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。

3、TDD中存在的问题

(1) 干扰问题

TDD模式的CDMA移动通信系统的干扰问题主要包括上下行链路之间的干扰，不同运营者之间的干扰和来自功率脉冲的干扰。

上下行链路之间的干扰分为小区内上下行链路之间的干扰和小区间上下行链路之间的干扰。前者是因为在一个小区内用户间的同步受到破坏或上下行链路的时间分配不平衡。对于后者，非对称的TDD时隙将影响邻近小区的无线资源并导致小区间的上下行链路干扰，另外高功率的基站会阻塞邻近小区的基站接收本小区的终端，处在小区边界的高功率终端也会阻塞邻近小区的具有不同时隙分配的终端。

当同一地理环境有几个运营商用同一TDD 频率时，由于基站之间的同步问题以及上下行链路之间非对称的动态分配，不同运营者之间会发生干扰，这是TDD模式所特有的。

来自功率脉冲的干扰是由于短的TDD帧的短传输时间，以及为了袖珍的语音终端设计在终端内部的设备之间的脉冲传输。

(2) 同步要求高

由于基站不能同时接收和发送，移动终端的传送必须在基站停止发送时开始，这意味着同一小区内的不同用户之间，用户与基站之间需严格同步，后一同步破坏会发生通信阻塞，前一同步破坏将导致严重干扰，这是FDD

的CDMA移动通信系统所没有的问题。

另外，因为小区之间和不同操作者之间的干扰问题，邻近小区的基站之间要求是同步的，并且一般是符号级的精确同步。这样的同步要求在基站有GPS接收机或公共的分布式时钟，这些都增加了移动蜂窝网的费用。

(3) 移动速度受限

对于TDD模式的CDMA移动通信系统，上下行链路利用同一频率，根据接收信号TDD发射机能知道多径信道的快衰落，这给TDD模式的系统带来许多优势，但这是基于TDD帧长比相干时间短的前提。因为TDD帧很短，导致移动速度受到限制，所以通常人们认为TDD模式适合于室内、低速移动的微小区环境。不过目前已有研究显示TDD模式的移动通信系统在结合智能天线和联合检测技术后可以用于高速移动的环境，在中国目前开发的第三代移动通信系统TD-SCDMA中采用了这个方案，模拟结果显示了较好的性能。

4、FDD的优缺点

采用FDD模式的移动系统与采用TDD模式的移动系统相比，互有以下优缺点：

(1) FDD必须使用成对的收发频率。在支持对称业务时能充分利用上下行的频谱，但在进行非对称的数据交换业务时，频谱的利用率则大为降低，约为对称业务时的60%。而TDD则不需要成对的频率，通信网络可根据实际情况灵活地变换信道上下行的切换点，有效地提高了系统传输不对称业务时的频谱利用率。

(2) 根据ITU对3G的要求，采用FDD模式的系统的最高移动速度可达500KM/h，而采用TDD模式的系统的最高移动速度只有120KM/h。两者相比，TDD系统明显稍逊一筹。因为，目前TDD系统在芯片处理速度和算法上还达不到更高的标准。

(3) 采用TDD模式工作的系统，上、下行工作于同一频率，其电波传输的一致性使之很适于运用智能天线技术，通过智能天线具有的自适应波束赋形，可有效减少多径干扰，提高设备的可靠性。而收、发采用一定频段间

隔的FDD系统则难以采用上述技术。同时，智能天线技术要求采用多个小功率的线性功率放大器代替单一的大功率线性放大器，其价格远低于单一大功率线性放大器。据测算，TDD系统的基站设备成本比FDD系统的基站成本低约20%~50%。

(4) 在抗干扰方面，使用FDD可消除邻近蜂窝区基站和本区基站之间的干扰。但仍存在邻区基站对本区移动机的干扰及邻区移动机对本区基站的干扰。而使用TDD则能引起邻区基站对本区基站、邻区基站对本区移动机、邻区移动机对本区基站及邻区移动机对本区移动机四项干扰。综比两者，可见FDD系统的抗干扰性能要好于TDD系统。但随着新技术的不断出现，TDD 系统的抗干扰能力一定会有大幅度的提高。目前方正连宇公司推出的LAS-TDMA新技术就在这方面有了新的突破。

5、未来发展

由于移动数据业务的增长、通信个人化和宽带化的要求，移动通信正在向第五代发展，估计2020年前后，第五代移动通信系统将开始全面商用。回顾第一二代移动通信系统的建设，中国几乎100%依靠进口国外产品，而现在的情况已经大不相同了。自从1997年中国提交了第三代移动通信标准草案（TD-SCDMA）之后，其TDD模式及智能天线新技术等特色受到高度评价并成为三个主要候选标准之一，同时TD-SCDMA移动通信系统的基站设备正在加紧开发。目前第四代TD-LTE移动通信系统也已经在国内正式商用，在第一代和第二代移动通信系统中，FDD模式一统天下，TDD模式没有引起重视，但由于新业务的需要和新技术的发展，TDD模式将日益受到重视。尤其是第五代移动通信系统，由于要实现同时同频全双工，TDD模式基本宣告终结，而对于FDD来说，则有相当大的频谱资源被释放出来，大大提高通信效率。

2.3 CDMA

1、基本概念

CDMA即码分多址(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

码分多址（CDMA）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。

在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。

2、CDMA的优势

在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些其他扩频通信所不具有的特点：

(1) 采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起

到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。

(2) 采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接

与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个

系统的容量增大。

(3) 采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。

(4) 采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。

(5) 具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。

(6) 兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。

(7) CDMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。

(8) CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。OCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。

3、CDMA的不足

(1) 在小区的规划问题上，虽然CDMA无需频率规划，但它的小区规划却并非十分容易。由于所有的基站都使用同一个频率，相互之间是存在干扰的，如果小区规划做得不好，将直接影响话音质量和使系统容量打折扣，因而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。

(2) 其次，在标准的问题上，CDMA的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究才试制定之中。如A接口，目前各厂家有的提供IS一634版本0，有的支持Is－634版本。还有的使用Is－634/TSB－80。因此对于系统运营商来说，选择统一的A接口是比较困难的。

(3) 由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。

2.4 同时同频全双工

1、全双工简介

这里所讲的全双工是指同时同频全双工CCFD（Co-frequency Co-time Full Duplex），CCFD无线通信设备使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。

同时同频全双工(CCFD)的近端设备与远端设备的无线业务相互传输发生在同样的时间、相同的频率带宽上，这与现有的时分双工(TDD: Time Division Duplexing)和频分双工(FDD: Frequency Division Duplexing)体制相比，理论频率效率可以提升1倍。

2、全双工通信现状及前景

全双工通信技术目前还处在研究阶段，由于收发同时同频，CCFD发射机的发射信号会对本地接收机产生干扰，使用CCFD的首要工作是抑制强自干扰。自干扰消除能力将直接影响CCFD系统的通信质量。

自干扰消除技术最初应用在电话系统、多普勒雷达中，由于通信系统的信号带宽、频率、自干扰信号消除量等指标与上述两个系统存在差别，原始的自干扰消除技术并不能直接应用在CCFD系统中，因此对自干扰消除技术的模型研究、性能分析也成为了CCFD的研究热点。

早在1997年，G. R. Kenworthy申请了美国专利“Self-Cancelling Full-Duplex RF Communication System”。专利中明确描述了一种全双工通信系统，该系统采用射频干扰抑制、数字干扰抑制两级进行自干扰消除，达到同时同频收发信号的效果。

近年来，斯坦福大学、莱斯大学、加州大学等国际知名院校均进行了同时同频全双工的理论探索以及工程实现，发表了多篇IEEE顶级会议及期刊论文，并制作出了相关的实验平台，得到了明确的实验数据(见下表)：

项目加州大学莱斯大学斯坦福

2012斯坦福

2013

电子科大

2012

电子科大

2013

1天线配置1T1R1T1R1T1R1T1R1T1R2T2R

2频率 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 1.6~4.0

GHz 2.5~2.7 GHz

3信号带宽30MHz10 MHz10 MHz80 MHz20 MHz20 MHz 4发射天线功率10dBm10 dBm10 dBm20 dBm10 dBm23 dBm

5空域自干扰抵

消能力

无20dB20 dB15 dB20 dB45 dB

6射频域自干扰

抵消能力

47 dB35 dB45 dB63 dB55 dB35 dB

7数字域自干扰

抵消能力

无26 dB30 dB35 dB31 dB27 dB

8总抵消能力47 dB55 dB90~95 dB105~110

dB

91 dB107 dB

9实验环境微波暗室

无多径实验室

多径环境

实验室

多径环境

实验室

多径环境

实验室

多径环境

实验室

多径环境

10实验设备安捷伦仪

器Warplab仪器与自

制硬件混

合

仪器与自

制硬件混

合

自制uSDR自制

uSDR

国内关于同时同频全双工的研究起步稍晚，2006年，北京大学焦秉立教授首次提出了同频同时双工概念，并且申请了专利。此外，北京大学还在同频同时全双工组网技术上进行深入研究，提出了蜂窝小区采用同频同时双工的演进方案，即：基站发射天线采用中心式布局，而基站接收天线采用分布式。这样在干扰消除能力受限情况下仍可实现系统容量的大幅提升。

目前，同频同时全双工技术正逐渐成为无线通信领域的一个新的研究热点，并且已经初步显示出广阔的应用前景。在蜂窝通信系统、室内无线通信系统等都可以应用。

第三章天线干扰消除

3.1 天线消除原理

自干扰消除主要有模拟信号时期的天线和射频干扰消除以及数字信号时期的基带干扰消除。其中天线干扰消除主要通过天线端对干扰的对消来达到目的。简单来说，就是将发送信号进行分流，从两个发射天线发射出去，而接收天线只有一根。此时的关键在于使两个发射天线到接收天线的距离差为发射半波长的奇数倍。具体图解如下（图片引用自参考文献(1)）：