同时同频全双工射频快速自适应干扰抵消算法

王 俊，赵宏志，唐友喜



同时同频全双工射频快速自适应干扰抵消算法

王 俊1,2，赵宏志2，唐友喜2

(1. 西南民族大学电气信息工程学院 成都 610041；2. 电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室 成都 611731)

在同时同频全双工收发信机中，考虑单径无线自干扰信道场景，提出了基于快速搜索思想的射频自适应干扰抵消算法。通过分析自干扰幅度估计误差、相位估计误差对射频自干扰抵消后剩余接收信号功率的影响，引出了射频域的快速自适应干扰抵消算法，并讨论了该算法的收敛性。分析与仿真表明，在同时同频全双工系统中，基于快速搜索的射频自适应干扰抵消算法可以有效实现射频域自干扰的抵消；与现有的射频自适应干扰抵消方法相比，其收敛时间减少了约60%。

自适应干扰抵消; 全双工; 快速搜索; 射频自干扰

同时同频全双工收发信机能够在同一频段上同时收发数据，与传统的时分双工、频分双工收发信机相比，信道容量及频谱利用率更高[1-2]。因此，同时同频全双工技术成为下一代移动通信技术(5G)的研究热点[3]。然而，在全双工传输模式的收发信机中，接收信号受本地发送信号的大功率干扰[4]。由于模数转换器(analog to digital converter, ADC)的动态范围限制，若接收的自干扰信号功率过高，远端期望信号便会淹没在ADC的量化噪声里[4]。因此，同时同频全双工接收机必须在射频域对接收的大功率自干扰信号进行抑制。

根据射频自干扰重建信号的馈入方式，已有的全双工射频自干扰抵消技术可分为两类：数字辅助射频自干扰抵消和直接耦合射频自干扰抵消。数字辅助射频自干扰抵消技术的基本思想在于：结合自干扰信道估计值在基带处理单元重建自干扰信号，然后经过一条独立的射频通道将基带重建信号上变频到射频域作为射频自干扰重建信号，最后将射频自干扰重建信号从接收射频信号中减去[5-7]。文献[5]考虑一发一收的窄带通信系统，给出了基本的数字辅助射频自干扰抵消结构，并通过实验验证了其有效性。文献[6]考虑两发一收的宽带正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)通信系统，分别对各子载波参考信号进行信道补偿得到各子载波对应的重建自干扰，然后经过傅里叶反变换(inverse fast Fourier transform, IFFT)产生时域的基带重建自干扰。文献[7]将文献[6]的解决思路应用于多天线的宽带OFDM系统上。综上，数字辅助的射频自干扰抵消结构容易实现，但由于该结构中射频重建自干扰是通过额外的一条射频通道产生，不能抵消原发射射频通道产生的自干扰非线性分量。

直接耦合射频自干扰抵消技术从全双工收发信机的发射端直接耦合出一路射频参考信号，通过对射频参考信号和接收射频信号进行相应的处理，实现射频域的自干扰抵消。因而，它可以同时抵消自干扰信号的线性和非线性分量。具体地，该类方法可分为盲自干扰抵消以及基于信道估计的自干扰抵消两类。其中盲自干扰抵消无需参考信号的幅度、相位对射频干扰进行搜索，但由于其没有利用自干扰信道的信息，使得自干扰抵消性能不佳[8]。基于信道估计的自干扰抵消方法则通过对射频参考信号的时延、幅度以及相位进行估计和调整，得到射频重建自干扰并在接收射频信号中减去。文献[9-10]假设单径自干扰信道场景，分别采用QHX220芯片[9]，以及两抽头射频自干扰重建结构[10]产生射频域的重建自干扰，通过固定步长搜索最优的重建自干扰幅度和相位值。文献[11-12]则分别考虑单径和多径自干扰场景，对自干扰重建结构中各抽头的权矢量进行自适应的搜索，该搜索方法的收敛速度优于固定步长搜索算法[13]。但上述自适应搜索方法的收敛速度性能受自干扰抑制性能制约[11-12]，对自干扰抑制性能要求较高时，会导致收敛速度变慢。

为解决以上问题，本文提出一种应用于同时同频全双工系统的射频快速自适应干扰抵消技术，与现有的射频自适应干扰抵消方法相比，在不恶化干扰抑制性能的前提下提高收敛速度。考虑单径无线自干扰信道场景，首先分析了自干扰抵消后的剩余接收信号功率与自干扰幅度估计误差、相位估计误差之间的关系，进而提出了基于快速搜索思想的射频自适应干扰抵消算法。以最小化剩余接收信号功率为目标，该方法首先选择一个自干扰幅度估计值与相位估计值的区间，使得由此区间确定的剩余接收信号功率只包含极小值，不包含极大值，并将其作为快速搜索的初始搜索区间；每一次迭代搜索时，对该时刻的剩余接收信号功率进行分析和判断，得到缩小一半的新搜索区间。以此类推，搜索区间大小将呈2的指数次幂下降，最终收敛于极小值点。

1 系统模型

图1 系统模型

1.1 发射机模型

远端发射信号的信号模型与近端发射信号模型类似，不再赘述。

1.2 接收机模型

考虑单径自干扰信道场景，接收射频信号可以表示为：

(4)

近端接收射频单元利用干扰抵消后的剩余接收信号，产生控制信号；并更新、，得到自干扰信号的估计。干扰抵消后的信号经过下变频、模数转换、匹配滤波后，解调得到远端期望信号。

2 干扰抵消算法

2.1 剩余接收信号功率

针对近端接收机模型中的自干扰抵消，结合式(4)、式(5)，可以得到自干扰抵消后剩余信号的功率：

(7)

式中：

(9)

(10)

由于近端发射天线与近端接收天线距离很近，其对应的传输时延极小。考虑窄带信号的应用场景，则：

(12)

结合式(11)、式(12)，化简式(7)，得到：

(14)

图2 剩余接收信号功率与幅度衰减、相位偏移的关系

2.2 算法内容

根据式(14)，可以得到使得剩余接收信号功率最小的二维全局最优点：

1) 相位偏移的固定搜索阶段

2) 相位偏移的折半搜索阶段

3) 幅度衰减的折半搜索阶段

当相位偏移自适应搜索结束后，幅度衰减的自适应搜索开始。

2.3 收敛性分析

2.3.1 相位偏移的收敛性

(20)

(22)

相位偏移折半搜索的首次搜索过程中：

(24)

因为：

相位偏移折半搜索的迭代过程中，由于

(27)

因为：

(29)

由此类推：

(31)

则：

结合式(29)，有：

(33)

2.3.2 幅度衰减的收敛性

幅度衰减折半搜索的收敛性分析与相位偏移折半搜索的收敛性分析过程类似，这里不再赘述。

综上所述，以最小化剩余接收信号功率为目标，本文方法首先确定一个幅度衰减、相位偏移的取值区间，使得此区间内的目标函数仅包含一个极小值且不包含极大值，并将其作为折半搜索的初始搜索区间；每一次迭代搜索时，利用剩余接收信号功率关于干扰相位偏移估计误差、干扰幅度衰减估计误差的对称性，对实时的剩余接收信号功率进行统计和分析，得到缩小一半的新搜索区间。以此类推，干扰相位偏移、幅度衰减搜索区间的大小将呈2的指数次幂下降，最终收敛于自干扰信号的相位偏移与幅度衰减真实值。

3 仿真结果

以本文提出的全双工射频快速自干扰抵消算法为基础，利用Matlab仿真软件仿真了其干扰抵消性能，验证了算法的有效性；并且仿真对比了该算法和已有的自适应干扰抵消方法[11-12]的收敛速度性能。仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真分析的参数设置

a. 相位偏移估计值随迭代次数的整体变化趋势

b. 相位偏移估计值随迭代次数局部变化趋势

图4 相位偏移估计值随迭代次数的变化趋势

以一次全双工射频快速自适应干扰抵消过程为例，图4给出了当幅度衰减真实值为0.001 8，相位偏移真实值为2.281 8 rad时，相位偏移估计值随迭代次数的变化趋势，该过程分为两个阶段：第一阶段为固定搜索阶段，容易看出，该阶段经历了5次迭代。第二阶段为折半搜索阶段，进入折半搜索阶段后，相位偏移的搜索区间大小呈2的指数次幂下降。可以看出，相位偏移的估计值将无限逼近于相位偏移的真实值。

a. 幅度衰减估计值随迭代次数整体变化趋势

b. 幅度衰减估计值随迭代次数局部变化趋势

图5 幅度衰减估计值随迭代次数的变化趋势

以一次全双工射频快速自适应干扰抵消过程为例，图5给出了当幅度衰减真实值为0.001 8，相位偏移真实值为2.281 8 rad时，幅度衰减估计值随迭代次数的变化趋势，该过程发生在相位偏移自适应搜索收敛之后。可以看出，幅度衰减的搜索区间大小呈2的指数次幂下降，幅度衰减的估计值将无限逼近于幅度衰减的真实值。

根据前面的内容可知，已有的全双工系统中直接耦合射频自干扰抵消技术方法主要分为两类：盲自干扰抵消以及基于信道估计的自干扰抵消。盲自干扰抵消不需要对射频参考信号的幅度、相位进行搜索，但由于没有利用自干扰信道信息，使得自干扰抵消性能不佳。另一方面，基于信道估计的自适应干扰抵消早期通过固定步长搜索实现自干扰信道估计，而目前该类方法中最具代表性是基于最小均方误差准则(least mean square, LMS)的自适应搜索，其收敛速度优于固定步长搜索算法。因此，将本文算法与基于LMS自适应干扰抵消方法[11-12]的收敛速度进行对比，如图6所示。其中自干扰抑制比代表接收自干扰功率与干扰抑制后的剩余自干扰功率之比。从图中可以看出，本文算法的收敛时间缩短为已有自适应干扰抵消方法收敛时间的40%左右，且收敛后的自干扰抑制比基本保持一致。

综上所述，考虑单径无线自干扰信道，本文的全双工射频快速自适应干扰抵消算法，能够快速对自干扰信号的幅度衰减、相位偏移估计值进行自适应搜索，有效实现射频自干扰的抵消。从图6给出的仿真结果中容易看出：在2.4 GHz载频、5 MHz带宽、0 dB信噪比，-50 dB信干比，以及100倍符号周期的统计时间条件下，该射频快速自适应干扰抵消算法可以实现约70 dB的自干扰抵消效果。此外，从图6中还可以看出，在收敛后干扰抑制性能基本无损失的前提下，本文算法的收敛时间缩短为已有射频自适应干扰抵消方法的40%左右，提高了全双工系统中射频自适应干扰抵消的收敛速度。

图6 本文算法和已有自适应干扰抵消方法的收敛速度对比

4 结束语

本文针对同时同频全双工传输场景，考虑单径自干扰传输信道，提出了一种射频域的快速自适应干扰抵消算法。每一次迭代搜索时，利用剩余接收信号功率关于自干扰相位偏移估计误差、幅度衰减估计误差的对称性，对实时的剩余接收信号功率进行统计分析，得到缩小一半的新搜索区间，从而达到快速搜索的目的。与现有的射频自适应干扰抵消方法相比，本文方法在不恶化干扰抑制性能的前提下提高了收敛速度。在全双工系统的现实工程应用中，能够有效地解决射频自适应自干扰抵消收敛速度慢的问题。

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编 辑 叶 芳

Quick Adaptive Self-Interference Cancellation at RF Domain in Full Duplex Systems

WANG Jun1,2, ZHAO Hong-zhi2, and TANG You-xi2

(1. College of Electrical and Information Engineering, Southwest University for Nationalities Chengdu 610041; 2. National Key Lab of Science and Technology on Communications, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

In a full-duplex transceiver which transmits and receives at the same frequency simultaneously, a radiofrequency (RF) adaptive self-interference cancellation algorithm based on quick search is proposed to cancel the single path self-interference. By analyzing the impact of the magnitude and phase estimation errors on the residual received signal power after the self-interference cancellation, the RF quick adaptive self-interference cancellation algorithm is derived, and its convergence performance is discussed. By analysis and simulation, the RF adaptive self-interference cancellation algorithm based on quick search can effectively cancel the self-interference at the RF domain, and its convergence time decreases by 60% compared with the existing RF adaptive self-interference canceller.

adaptive interference cancellation; full duplex; quick search; RF self-interference

TN92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.04.005

2016-05-03；

2017-03-06

国家自然科学基金(61531009, 61501093, 61271164, 61471108)；中央高校基本科研业务费专项(ZYGX2014Z011)

王俊(1988-)，女，博士，主要从事无线通信、信号处理等方面的研究.