一种全双工系统中非线性数字自干扰消除算法

摘 要：单信道全双工无线通信在同一频带同时发送和接收信号，由于期望信号和自干扰信号的功率相差较大，系统的非线性成为了制约自干扰抑制能力的主要因素之一。本文利用非线性模型对全双工系统进行描述，采用非线性滤波器对非线性失真进行处理，提升自干扰消除的能力。

关键词：全双工；无线通信；信号

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.118

1 引言

在全双工系统中，由于系统存在的不完美性，特别是射频电路的缺陷，完全消除自干扰是不可能的。为了了解系统的局限性，文献[1]中考虑了全双工传输中存在的这种局限性，探讨了无线电电路缺陷对于系统性能的影响和系统的瓶颈。文献[2]的研究结果表明，由于期望信号和自干扰信号的功率相差较大，系统的非线性成为了制约自干扰抑制能力的主要因素之一。现有的大多数自干扰消除方案都忽略了非线性效应，所采用的LMS或RLS等线性自适应滤波器，都是基于以下假设：在整个全双工收发系统，包括放大器、混频器、振荡器、模数转换器、空间耦合信道，都是完全线性的，并且可以用自适应滤波器模拟全双工系统的信号路径[3]。一般情况下，系统的非线性将带来发射和接收信号的非线性失真。因此，当非线性失真超过一定程度时，传统的滤波器就不能达到很好的自干扰消除性能。本文将整个全双工系统看做一个非线性系统，并通过Wiener模型对其非线性进行描述，然后采用非线性模型的滤波器对全双工非线性系统的非线性及线性特征进行学习和模拟，并利用自适应算法对滤波器系数进行实时更新，有效的解决了全双工系统中非线性失真问题，提升自干扰消除的能力。

2 系统模型

在CCFD单入单出（single-input single-output，SISO）无线通信系统中，以本地收发信机为例，数字发送信号经过数模转换器DAC等射频处理后，变成射频发送信号，并通过发射天线进行发射。在接收端，由于发射机和接收机同时、同频进行工作，接收天线接收到的信号不仅包括来自远端设备的期望信号，还包括来自本地发射机的自干扰信号。自干扰信号可以在接收链路的不同模块进行消除，本论文主要研究数字域的自干扰消除。

3 非线性数字自干扰消除算法

如前文分析，我们将整个全双工系统看做一个非线性系统，并通过Wiener模型对其非线性进行描述，模型的LTI部分我们采用FIR滤波器来实现，模型的无记忆非线性部分采用Saleh模型。在整个系统中功放作为非线性器件，而无线信道和接收端的各个器件作为线性系统进行描述。然后采用记忆深度为3的9阶记忆多项式非线性模型的滤波器对全双工非线性系统的非线性及线性特征进行学习和模拟，并利用自适应算法对滤波器系数进行实时更新。

设非线性模型滤波器的输出为：z（n）=wHx（n）

设全双工非线性系统的非线性函数为L（·），则经非线性系统后的输出信号为：y（n）=L（x（n））

此时均方误差或者代价函数为：

J（w）=E（|e（n）|2）

=E（s（n）-wHx（n））（s（n）-wHx（n））*

=E（|x（n）|2）-P2Hw-wHP2+wHR2w

自相关矩阵为：R=E（x（n）xH（n））

互相关矩阵为：p=E（x（n）s（n）*）

=E（x（n）（y（n）+v（n）+d（n））*）

其中，d（n）表示自干扰信号，v（n）表示噪声，一般我们用高斯白噪声对其进行描述。

维纳解：w=R2-1P2

根据以上公式分析，当噪声和有用信号均与发射信号不相关时，噪声和有用信号影响代价函数的极值，不影响收敛后的维纳解，因此直接结构能够克服系统加性噪声和干扰的影响。

我们利用LMS算法和利用直接结构非线性消除算法的性能对比。在自干扰强度较小时，影响消除能力的主要是由于INR较小而导致的参数估计误差，所以两种算法的性能相差不大。随着自干扰不断增大，对参数的估计准确性逐渐提高，此时影响消除能力的主要是信号的非线性特性。根据仿真实验结果，LMS算法在INR为50dB时最多达到约17.8dB的消除能力。由于LMS算法中自适应滤波器是线性的，无法很好的处理非线性信号，此时信号的非线性特性成为约束算法性能的主要因素。而利用直接结构中的记忆多项式学习模型，能够较好对自干扰信号的非线性特性进行识别和学习，在INR为50dB时消除能力可达到24.4dB，相同条件下比LMS算法高6.6dB左右，且随着INR的继续增大，算法性能仍有提升的空间。

4 小结

本文针对全双工系统中存在的非线性问题，将系统建模成Wiener模型，对其非线性进行描述，并提出一种基于该非线性失真的自干扰消除的算法，采用非线性滤波器对全双工非线性系统中的自干扰进行消除，进一步提升了自干扰抑制的能力。

参考文献：

[1]B.P.Day，A.R.Margetts，D.W.Bliss，and P.Schniter，“Full-Duplex MIMO Relaying： Achievable Rates Under Limited Dynamic Range，” Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， vol.30， no.8， pp.1541-1553，September，2012.

[2]D.W.Bliss，T.M.Hancock，and P.Schniter， “Hardware phenomenological effects on cochannel full-duplex MIMO relay performance，” Signals， Systems and Computers （ASILOMAR）， 2012 Conference Record of the Forty Sixth Asilomar Conference on， pp.34，39， 4-7 Nov. 2012.

[3]A.Sahai，G.Patel，and A.Sabharwal，“Asynchronous full-duplex wireless，”Communication Systems and Networks （COMSNETS）， 2012 Fourth International Conference on ， pp.1-9，Jan.2012.

作者简介：孙凌云（1990-），女，河南焦作人，硕士研究生，研究方向：全双工无线通信干扰消除。