同频同时全双工数字自干扰抵消算法

第３３卷第８期　２０１６年８月　计算机应用研究　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．８　

Ａｕｇ．２０１６　

同频同时全双工数字自干扰抵消算法　王丹　，黄开枝　，李云洲　．　（１。解放军信息工程大学国家数字交换系统工程技术研究中心，郑州４５０００２；２．清华大学信息技术研究院无　线与移动通信技术研究中心，北京１０００８４）　

摘要：同频同时全双工是第五代移动通信（５Ｇ）提出的核心概念之一，其关键技术为自干扰抵消。其中数字　抵消具备灵活高效的优势，进一步提高其性能是降低全双工节点的成本、功耗和复杂度的重要途径。首先介绍　了基本数字抵消算法一一信道估计重构法的原理；然后从提高自适应性、提高自干扰信号还原准确性以及实现　简化三个角度介绍了改进算法；最后，展望了全双工数字自干扰抵消算法未来的研究方向，为全双工架构和算法　设计提供参考。　关键词：５Ｇ；同频同时全双工；数字自干扰抵消算法；硬件非理想性　中图分类号：ＴＮ９２９．５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３６９５（２０１６）０８—２２４１－０５　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３６９５．２０１６．０８．００１　

Ｄｉｇｉｔａｌ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｏｆ　ｉｎ—ｂａｎｄ　ｆｕｌｌ　ｄｕｐｌｅｘ　Ｗａｎｇ　Ｄａｎ　，Ｈｕａｎｇ　Ｋａｉｚｈｉ　，Ｌｉ　Ｙｕｎｚｈｏｕ　ｆ　１．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＳｙＳｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ，ＰＬＡ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ＆Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆＮａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉ—　ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ—ｂａｎｄ　ｆｕｌｌ　ｄｕｐｌｅｘ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｕｐ　ｉｎ　５Ｇ，ｏｆｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｓｅｌｆ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ（ＳＩ）ｃａｎｃｅｌ—　ｌａｔｉｏｎ．Ｓｉｎｃｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅｒ，ｍｏｒｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｍｏｎｇ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｉｔ　ｈａｓ　ａ￣ｒａｅ—　ｔｅｄ　ｍｕｃｈ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｅｃｏｍｅ　ａ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｗａｙ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ，ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｉｎ—　ｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｉｌｅ　ｂａｓｉｃ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｎａｍｅｌｙ，ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｌｆ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃ—　ｔｉｏｎ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｇａｖｅ　ｓｏｍｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｆｏｒ　ｅｉｔｈｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ＳＩ　ｏｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａｎ　ｏｕｔｌｏｏｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｗｏｒｋ　ａｓ　ａ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ　ｄｕｐｌｅｘ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：５Ｇ；ｉｎ—ｂａｎｄ　ｆｕｌｌ　ｄｕｐｌｅｘ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｅｌｆ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ；ｈａｒｄｗａｒｅ　ｎｏｎ·ｉｄｅａｌｉｔｉｅｓ　

０　引言　第五代移动通信（５Ｇ）提出海量终端接人、网络超密集覆　盖的目标，对频谱资源利用率提出更高要求。同频同时全双工　（ｉｎ—ｂａｎｄ．ｆｕｌ１．ｄｕｐｌｅｘ）是一种无线设备在同一频段同时完成信　号收发的通信体制，理论上频谱效率可提高一倍，降低端到端　时延和信令开销，因而成为５Ｇ研究热点。　全双工通信的关键是克服：　点自身发送的强信号对微弱　的目标接收信号的覆盖，即白干扰（ｓｅｌｆ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）抵消。高　效白干扰抵消是同频同时全双：亡通信的核心技术。理论上，自　干扰信号为接收端已知，但强度超高（通常高于目标接收信号　６０～１００　ｄＢ），使得传统抗干扰和消噪手段并不适用。一般地，　全双工白干扰抵消体系由天线隔离、模拟抵消和数字抵消三级　组成。天线隔离是指收、发天线之间存在空间距离，使自干扰　信号进入接收天线之前得到一定的衰减；模拟抵消从发送链路　引入模拟参考信号，进行适当的幅相时延调整后送入接收链　路，与进入接收机低噪放（ＬＮＡ）之前的白干扰信号相抵消；数　字抵消从发送基带获得数字参考信号，经过适当调整还原残余　自干扰信号，与之抵消。与模拟抵消相比，数字抵消的实现更　加简单、灵活、高效，因此进一步开发其性能空间对降低全双工　系统尺寸、功耗、复杂度具有重要的意义。　高性能数字抵消算法有两点要求：快速适应信道变化；精　准还原自干扰信号。围绕这两个目标，以信道估计重构法为基　础的各类改进算法已成为当下的研究重点。一方面，从提高数　字抵消算法自适应性出发，目前全双工系统样机中的模拟抵消　参数几乎都由人工手动调谐　ｌ２　Ｊ，自适应性和鲁棒性不够强，　有文献提出在数字域加入自适应算法，提高了抵消算法的可靠　性和灵活性　ｌ４　；另一方面，从提高还原白干扰信号的准确性　出发，由于实际硬件达不到理论假设那么理想，必然会引入各　种失真、噪声，使传统信道估计重构法还原的自干扰信号与真　实白干扰信号存在差距，制约数字抵消性能。所以有文献研究　如何消除硬件非理想性对准确还原信号的影响，主要包括非线　

收稿Ｅｔ期：２０１５—０９－１５；修回日期：２０１５—１１—３０　基金项目：国家“９７３”计划资助项目（２０１３ＣＢ３２９００２）；国家“８６３”计划资助项目　（２０１４ＡＡ０１Ａ７０３）；国家重大专项资叻项目（２Ｏｌ４Ｚｘｏ３００３Ｏ０２－００２）；新世纪优秀人才支持计划资助项目（ＮＣＥＴ－１３—０３２１）；国家自然科学基金资助　项目（６１３２１０６１）　作者简介：王丹（１９９１．），女，河南郑州人，硕士，主要研究方向为无线移动通信（ｗａｎｇｄａｎ９１０５０３＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ａｎ）；黄开枝（１９７３－），女，　博导，博士（后），主要研究方向为无线移动通信；李云洲（１９７４．），男，硕导，博士，主要研究方向为无线移动通信．　·２２４２·　计算机应用研究　第３３卷　性失真　、ＡＤＣ量化噪声　。’　］、相位噪声　”　引、同相正交　（ｉｎｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ，ＩＱ）信号镜像干扰　等。此外，由于　以信道估计重构为基础的数字抵消比传统的射频取样模拟抵　消更为简单灵活，也有文献研究如何利用数字抵消的原理来简　化模拟抵消的实现　］，从而降低全双工节点的整体复杂度　

和功耗。　本文首先介绍了信道估计重构法的基本原理，然后从提高　算法自适应性、提高自干扰信号还原准确性以及实现简化三个　角度分别介绍了改进算法的研究现状。在提高自适应性方面，　介绍了自适应信道估计算法；在提高白干扰信号还原准确性方　面，介绍了针对硬件非理想性的研究及相关改进算法；在实现　简化方面，介绍了数字抵消与模拟抵消的结合方案。最后，针　对研究现状中的问题和启示，展望同频同时全双工数字白干扰　抵消算法未来的研究方向，为全双工架构和算法设计提供　参考。　１　信道估计重构法　信道估计重构法原理如图１所示。其基本思想是：将无线　信道与前端干扰消除电路合并等效为一个白干扰信道，在数字　域估计其响应，生成对应的ＦＩＲ滤波器。输入发送端已知数字　基带信号，输出还原自干扰信号（一般也称做抵消参考信号），　与接收信号相抵消。　匝—空　．　频器　口　堕口一　＿＿［　——　—　残余　干扰　图１信道估计重构法原理框图　该方法由斯坦福大学Ｋａｔｔｉ团队于２０１１年首次提出，实测　抵消水平为３０　ｄＢ左右。主要包含三个步骤：　ａ）信道估计。在ＯＦＤＭ数据符号之前发送训练符号，采　用复杂度较小的最小二乘（１ｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅ，ＬＳ）算法估计信道——　这与８０２．１１系列物理层协议一致。训练符号定义在频域（即　比特映射的ＱＡＭ符号），而每个ＯＦＤＭ子载波足够窄，可视为　平衰落。因此每个子载波的信道估计结果是一个复常数值。　具体来说，令ｘ＝（ｘ［ｏ］，…，　Ｎ一１］）表示一个由Ⅳ个　子载波上的训练符号组成的向量，　表示ＯＦＤＭ训练符号的　数量。令ｌ，　’（ｍ＝１，…，Ｍ）表示经过白干扰信道后的接收　值。Ｌｓ算法估计每个子载波信道频域响应值为　＝　１【　ｙ　］］　（１）　ｂ）干扰重构。对该结果作ＩＦ　ＦＴＩ１即得到信道时域响应；发　送数字基带信号与该时域响应卷积，得到还原的接收信号。令　ｓ［ｎ］表示时刻ｎ送入ＦＩＲ滤波器的已知发送数字信号，则输出　ｉ［ｎ］为ｈ　［ｎ］和　ｎ］的线性卷积。　ｉ［ｎ］＝，　＾　［　ｎ一　］　（２）　ｅ）数字抵消。从接收采样信号ｒ［ｎ］中减去还原白干扰信　号ｉ［ｎ］，残留信号表示为　ｒ［ｎ］：ｒ［ｎ］一ｉ［ｎ］＝，　ｄ［ｋ］ｄ［ｎ—ｋ］＋　．∑　（（　［ｋ］一ｈ　［　］））ｓ［ｎ—ｋ］＋ｚ［ｎ］　（３）　其中：ｄ［ｎ］为目标接收信号，ｈ　ｒｔ］为目标发送机到接收天线　的信道冲激响应，　［　］为加性高斯白噪声。　２改进的信道估计重构法　信道估计重构法能够比较完整地捕捉信号经过无线信道　和前端抵消时的变化，但仍存在一些问题，主要有两点：ａ）白　干扰信道具有时变性，ＦＩＲ滤波器不能实时跟踪信道变化；ｂ）　信道估计重构法将白干扰信号建模为线性时不变（ＬＴＩ）系统　的输出。然而在实际中，元件（如矢量调制芯片ＱＨｘ２２０　）非　线性失真，量化噪声、相位噪声白干扰信号的伴随成分在特定　场景下也对目标接收信号构成了威胁，这些随机噪声无法用线　性算法还原，体现为信道估计重构的信号与实际信号之间存在　偏差，抵消残留过高。　下面从提高算法自适应性、提高还原白干扰信号准确性以　及实现简化三个角度分别介绍改进算法。　２．１　自适应信道估计重构法　２０１２年，文献［３］研究了一种基于信道估计重构法的自适　应数字抵？肖算法，在信道估计模块和ＦＩＲ滤波器之间加入自适　应算法模块，以首次估计得到ＦＩＲ滤波器参数作为初始值，以　生成抵消信号与实际接收信号之间的误差值作为调整信号反　馈给自适应模块，不断校正ＦＩＲ滤波器的参数，使滤波器输出　与实际接收信号之间误差最小，达到跟踪信道变化的目的。算　法原理如图２所示。　曩曩　翮　卜－　匝　焉蕊孺　接收．天线