葉偉

　?。暇┼]電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

　　摘要：帶內(nèi)全雙工技術(shù)已經(jīng)成為提高無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量的一種有效方案，然而，該技術(shù)中存在的自干擾信號(hào)將嚴(yán)重影響帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)的性能。首先分析了現(xiàn)有的無(wú)線帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中存在的自干擾，并根據(jù)干擾的來(lái)源將干擾信號(hào)分為三類干擾源。然后，分析了現(xiàn)有的一些自干擾抑制技術(shù)的抑制效果及影響因素，并據(jù)此明確后續(xù)研究的方向。

　　關(guān)鍵詞：帶內(nèi)全雙工；自干擾；干擾抵消

0引言

　　圖1無(wú)線通信系統(tǒng)中IBFD終端模型隨著信息化時(shí)代的前進(jìn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的部分。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的不斷改革對(duì)于本已緊缺的無(wú)線頻譜資源的需求日漸旺盛，進(jìn)而要求通信系統(tǒng)具備更高的頻譜效率。在提高頻譜效率的諸多途徑中，帶內(nèi)全雙工（Inband FullDuplex, IBFD）獲得了較多的關(guān)注。

　　當(dāng)今通信系統(tǒng)中的終端大多可同時(shí)作為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，然而，這些設(shè)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(shí)間段要么在不同頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。一旦實(shí)現(xiàn)了同時(shí)在同頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，理論上即可加倍無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜效率。

　　目前，帶內(nèi)全雙工沒(méi)有被廣泛應(yīng)用的主要原因在于自干擾的存在。自干擾指的是IBFD終端發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)對(duì)接收機(jī)接收的信號(hào)產(chǎn)生干擾。實(shí)現(xiàn)了IBFD自干擾的抵消，即可在理論上實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)全雙工。本文重點(diǎn)分析無(wú)線帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中不同類型的自干擾以及現(xiàn)有的一些自干擾抑制技術(shù)。

1IBFD系統(tǒng)中自干擾分析

　　本部分詳細(xì)介紹IBFD無(wú)線通信系統(tǒng)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(jié)合實(shí)際的工作環(huán)境來(lái)闡述這一問(wèn)題。

　　圖1所示IBFD終端模型采用了共用天線（環(huán)形器）的方式。發(fā)送信號(hào)過(guò)程中，IBFD終端先將發(fā)送信號(hào)流進(jìn)行編碼和調(diào)制，這些數(shù)字信號(hào)先后經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻載波器變?yōu)楦哳l信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)高功率放大器（HPA）以及環(huán)形器，最后通過(guò)發(fā)送天線輻射出去。接收過(guò)程中，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器之后，也要經(jīng)過(guò)前述類似的過(guò)程。在圖1中指出了3種自干擾類型，下面分別介紹。

　　1.1環(huán)形器信號(hào)泄漏

　　環(huán)形器是一個(gè)多端口器件，其中電磁波的傳輸只能沿單方向環(huán)行，反方向是隔離的。在近代雷達(dá)和微波多路通信系統(tǒng)中都要用單方向環(huán)行特性的器件。環(huán)形器的原理是磁場(chǎng)偏置鐵氧體材料各向異性特性［2］，改變磁場(chǎng)偏置方向就可以相應(yīng)地改變環(huán)行方向。環(huán)形器的反向隔離只是理想情況，實(shí)際中環(huán)形器不可能做到絕對(duì)的隔離，因此會(huì)造成不同程度的信號(hào)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(dāng)某個(gè)接收天線要接收的信號(hào)頻率與其他天線發(fā)射信號(hào)的頻率相同或相近時(shí)即會(huì)產(chǎn)生干擾。目前針對(duì)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(shù)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行干擾消除。

　　1.3外界反射路徑干擾

　　當(dāng)IBFD天線發(fā)射出的信號(hào)經(jīng)過(guò)外界物質(zhì)反射回來(lái)便可能被接收器接收，造成反射路徑干擾，并且室內(nèi)環(huán)境所造成的反射干擾會(huì)強(qiáng)于室外環(huán)境。雖然反射路徑干擾在IBFD系統(tǒng)的全部干擾中只占據(jù)了較小的一部分，但卻是較為復(fù)雜的一部分，因?yàn)樵谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)是無(wú)法知道信道特性的。

2IBFD系統(tǒng)自干擾研究及成果

　　本節(jié)討論現(xiàn)有對(duì)于IBFD系統(tǒng)中各個(gè)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(huán)形器信號(hào)泄漏

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

　　2.1.1鐵氧體微帶Y型環(huán)形器

　　現(xiàn)代通信中，微波鐵氧體環(huán)形器發(fā)揮了重要作用。根據(jù)HARTWIG C P［3］的理論，環(huán)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(xiàn)［4］提出了一種改進(jìn)的鐵氧體薄膜材料的微帶Y型環(huán)形器，由于底部引入了小洞，鐵氧體薄膜的厚度和環(huán)形器總厚度之比顯著減小。

　　參考文獻(xiàn)［4］給出的仿真結(jié)果表明，在30.5 GHz附近，環(huán)形器的插入損耗低于1 dB，隔離度大約為28 dB；最大隔離度在26.4 GHz附近約為44 dB；最小插入損耗在25.7 GHz附近約為27 dB。

　　2.1.2CMOS有源環(huán)行器

　　參考文獻(xiàn)［5］介紹了一種有源CMOS環(huán)形器，該環(huán)形器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該環(huán)形器主要由3個(gè)4端口耦合器和3個(gè)雙向放大器組成環(huán)路。

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］中的仿真結(jié)果可以得到，在60~75 GHz范圍內(nèi)插入損耗大約是7.4 dB，62~80 GHz的隔離度約是18 dB，并且未來(lái)可以通過(guò)對(duì)有源設(shè)備和電容器等的損耗進(jìn)行更有效的建模來(lái)獲得更高的環(huán)形器性能。

　　2.1.3微帶方向耦合器環(huán)形器

　　傳統(tǒng)微帶方向耦合器環(huán)形器［6］，由于非均勻介電材料以及不同的模態(tài)相速度導(dǎo)致其隔離度較低，參考文獻(xiàn)［7］提出了改進(jìn)型微帶方向耦合器環(huán)形器。該環(huán)形器不僅采用了相速補(bǔ)償?shù)姆椒?，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(jù)參考文獻(xiàn)［7］的仿真結(jié)果可知，在910 MHz附近，傳統(tǒng)方向耦合器的隔離度約為23.5 dB，而改進(jìn)型的環(huán)形器則約為58.3 dB；在908.5 MHz附近達(dá)到了最高的68.8 dB，這已經(jīng)提高了超過(guò)45 dB的抵消程度。

　　2.2多天線間直接路徑干擾

　　針對(duì)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(shù)、收發(fā)天線交叉極化和定向天線技術(shù)。

　　2.2.1天線路徑損耗抵消技術(shù)

　　目前廣泛采用的天線抵消技術(shù)利用兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射天線產(chǎn)生的相消干擾來(lái)達(dá)到干擾抵消的目的。

　　圖3有源CMOS環(huán)形器結(jié)構(gòu)圖圖3是天線干擾抵消技術(shù)天線示意圖［8］，λ為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，d和(d+λ/2)分別為接收天線與兩根發(fā)射天線的距離，由于相差半個(gè)波長(zhǎng)，因此接收天線接收到的發(fā)射信號(hào)將會(huì)有π的相位差，疊加起來(lái)理論上就可抵消干擾。

　　該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的衰減程度大約在20 dB，分析可知，實(shí)際抵消效果對(duì)收發(fā)天線間距離以及發(fā)射信號(hào)的幅度比較敏感。因此要提高天線抵消技術(shù)的性能必須盡可能確保天線間距離滿足條件，信號(hào)幅度匹配。

　　2.2.2定向天線技術(shù)和天線交叉極化

　　定向天線是指在一定角度范圍內(nèi)電磁波輻射較強(qiáng)，而在其他的方向上發(fā)射電磁波為零或極小的一種天線。利用這一原理，只要收發(fā)天線互不在對(duì)方的輻射角度范圍內(nèi)，則可較高程度地減少天線間的自干擾。天線交叉極化技術(shù)是指發(fā)射天線和接收天線的極化方式不同，即一個(gè)水平極化、一個(gè)垂直極化，這樣發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)就不會(huì)被接收天線接收。

　　參考文獻(xiàn)［9］中，研究人員做了多組不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用定向天線和交叉極化技術(shù)組合的方案能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)70 dB的自干擾抑制效果，然而這只是在較低反射的室內(nèi)，一旦環(huán)境反射干擾較強(qiáng)時(shí)，自干擾抵消效果將大打折扣，最高約為45 dB。

　　2.3外界反射路徑干擾

　　前述干擾抑制技術(shù)的最大阻礙大都來(lái)自反射路徑干擾。反射路徑的干擾是IBFD系統(tǒng)各種自干擾中最復(fù)雜也是最難處理的，因?yàn)樗男诺捞匦栽谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)是不可知的。關(guān)于反射路徑干擾的抑制目前還沒(méi)有較好的方法，但是本文認(rèn)為通過(guò)對(duì)反射路徑信道建模之后是可以抵消自干擾信號(hào)的，當(dāng)然這也需要對(duì)反射信道進(jìn)行精確的信道估計(jì)。

3結(jié)論

　　本文分析了現(xiàn)有的無(wú)線帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)中存在的自干擾，并將干擾信號(hào)分成了三類干擾源。另外，在基于前人廣泛研究的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)有自干擾抑制技術(shù)，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(shí)現(xiàn)IBFD技術(shù)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)反射路徑干擾的抑制，從而確立了下一步研究的方向。

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