一种适合小尺寸设备的基于QAM的全双工中继技术

宋新海， 苗 壮， 和 亮

(西安外事学院 工学院，陕西 西安 710077)

在众多提高系统性能的技术中，中继与协作技术由于能以方便灵活的方式获取可观的路损、分集及复用增益，成为现代无线网络领域最具潜力的通信技术。传统中继技术虽然可利用中继节点的处理能力来增强系统性能，但其“接收—转发”的半双工模式也带来传输有效性的损失，并增加了传输时延，故寻求更高传输效率成为中继领域的研究重点[1-2]。与此同时，随着电子元器件及信息技术的迅猛发展，无线通信中的自干扰消除能力得到显著提升，曾经被认为禁忌的同时同频全双工(Co-time Co-frequency Full Duplex， 简称CCFD)技术，正成为 5G 时代解决通信流量增长与频谱资源匮乏矛盾的重要途径[3]。于是，具有全双工和中继双重优势的同时同频全双工中继(CCFD-Relay，简称CCFD-R)系统应运而生，并受到广泛关注[4]。

全双工系统的核心问题——自干扰消除技术的研究主要集中于传输域、模拟域、数字域三个方向[5]，目前总体上可以达到上百 dB 的自干扰消除能力，一定程度上已经能够满足多数 CCFD-R 系统的应用需要。但由于研究工作的路径依赖性，现有全双工中继技术因历史原因多面向宏基站等基础设施，对网络节点在尺寸、成本以及功耗等方面有着较高要求[6]。另一方面，5G 突破了传统蜂窝网的界限，成为移动网络、IEEE 网络以及物联网的有机融合，导致网络架构与通信技术发生巨大变化。最明显地，在增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband， 简称eMBB)、超可靠低时延通信(Ultra Reliable Lower Latency Communication，简称URLLC)和大规模机器类通信(massive Machine Lower Latency Communications， 简称mMTC)这三大5G应用场景中[7-8]，后两者都是针对物联网的，从而带来众多的小尺寸网络节点进行全双工通信的需求。小尺寸节点与前述的宏基站等基础设施的物理属性及功能特性差异很大，传统全双工技术难以适用或成本太高。例如，现有的自干扰消除技术算法复杂，对设备的功耗要求高，并且通常需要在收、发天线之间需设置隔离。上述种种对传统基站来说，不构成多大困难，但却难以应用于受体积、硬件复杂度及功耗等诸多限制的小尺寸设备上。于是，研究适合小尺寸设备的低复杂度、低成本和低功耗的 CCFD-R 中继系统就成为目前中继技术领域的热点问题。

面对因物联网的到来而不断涌现的大量小尺寸节点的全双工中继通信需求，目前主要的自干扰解决方法是尝试更加微小的天线模组和设计更加巧妙的信号处理方法，或者设计低功耗、低复杂度的自干扰消除结构[9-10]，如在接收端使用辅助链路的全数字自干扰消除结构。这些努力虽然取得了一些效果，但仍存在诸多问题，如天线模组小型化需待以时日、全数字自干扰消除结构存在有限精度 ADC 饱和问题等等。在寻求低复杂度和高性能中继协作技术的研究中，一种基于正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation， 简称QAM)信号的自干扰消除方法引起研究人员的注意[11-13]。该方法将 QAM 信号的两个分量分配给不同用户，利用其内积为零的特性，可在不扩展系统带宽的条件下完成协作通信。该方法既可独立应用，也可与现有全双工技术配合使用，技术潜力巨大，但可惜目前通信节点仍工作于多址接入信道(即非完全意义的全双工)模式。依据笔者的研究，这种基于正交调制的协作分集技术具有成本低、功耗小、实现简单和操作灵活等特色与优势，比较适合小尺寸节点的需要，若将其技术思想用于同时同频全双工中继解决方案，完全有可能为当前海量小尺寸设备构建一种实现同时同频全双工中继系统的新方法。基于此，本文针对三节点两跳无线网络，利用正交调制信号分量之间内积为零的特性，提出基于 QAM 信号的同时同频全双工中继系统模型，并设计传输策略及其配套的星座使用方式与信息帧格式，从而构建一种适合大量小尺寸设备的低成本、低功耗和低复杂度的同进同频全双工中继通信方法。

1 系统模型及技术方案

如图 1 所示，以三节点两跳无线网络这一典型系统模型作为研究对象，信源节点 S 在中继节点 R 的协助下向信宿节点 D 传输信息，且假定两个用户节点之间无直传链路。为使这一中继系统工作于全双工方式，传统的自干扰消除方法有：①在传输域通过天线设计，隔离、降低或对消收发天线之间的电磁耦合；②在模拟域采用多抽头射频干扰抑制、射频模拟干扰消除等技术，构建与自干扰信号幅相反的对消信号；③在数字域通过数字信道估计器和数字滤波器重构经过空中接口的自干扰信号，并实现对该干扰的消除。这些方法通常需在通信收发机上增加复杂的器件以实现相应的功能，对于宏基站等基础设施不存在多大困难，但对于物联网时代大量涌现的小尺寸通信节点，由于受体积、功率、功耗以及成本等影响，往往难以应用。

图1 系统模型

为此，本文在深入研究基于正交信号的协作技术的基础上，将其应用于全双工系统，提出一种适合小尺寸节点的解决方案。不同于传统的采用复杂干扰隔离或复杂干扰消除技术，本方案利用 QAM 信号不同分量之间的正交性对工作于同一时间和同一频段的自干扰进行隔离。具体如图2所示，将同向分量分配给信源 S，将正交分量分配给中继 R，两个结点在同一星座的不同分量上进行信息传递，从而实现中继协作。根据中继节点对接收信号的不同处理方式，可细分为 AF(Amplify and Forward， 简称AF)中继和 DF(Decode and Forward，简称DF)中继，本文选用 DF 方式(采用 AF 方式的技术原理类似，只是在中继节点由图2中的星座映射改为希尔伯特变换)。本方案特点在于改变了以往将 QAM 信号由某一个用户独占的做法，而令信源节点 S 和中继节点 R 共用同一个星座，具体为 I 分量分配给 S 和 Q 分量分配给 R(反之亦可)。这样，信源和中继各用 QAM 信号的一个自由度，由于两者内积为零，实现了自干扰的有效隔离，从而整个系统可以工作于同时同频模式之下。这一技术无需像传统干扰消除方法那样为通信收发机增加笨重的物理隔离设备或复杂的软硬件，而只是对现有通信收发机在工作方式上的灵活使用，几乎不增加额外的物理模块，故特别符合小尺寸通信节点的体积小、功耗低和成本低的特点及要求。另外，本方法与传统自己干扰消除技术没有冲突之处，故将两者可结合使用，以取得更好的系统增益，所以本方法不但适用于小尺寸设备，也可作为大尺寸设备的自干扰消除的有益补充，减少其残留自干扰，从而进一步提升中继系统的传输性能。

图2 单向中继调制星座映射

图2中，Eb表示信源节点S或中继节点R的每比特传输能量，两者采用相同的发送功率。

2 传输协议设计

本文假定，各节点都配置两根天线，一根用于发送数据，另一根用于接收数据(也可以只配置一根收发共体天线，但需设计一个环路器进行隔离，这与两根天线相比只是自干扰程度有所差别，但本质一样，为便于表述本文以两根天线为例)。

假定所有信道状态服从相互独立的平坦Rayleigh慢衰落，所有的信道同步已经建立，接收端完全知道有关的信道状态信息，所有信道的噪声为加性高斯白噪声(AWGN)。针对如图1所示的系统模型和图2所示的星座使用方式，可设计如图3所示的传输方案，其中，假定每帧有N个时隙，调制方式假定为二进制(多进制类似)。

图3 单向中继信息帧结构

(1)通过导频信息获得S到R和R到D相应的信道系数hS，R和hR，D，由于假定信道是慢衰落，故在一个信息帧内信道系数hS，R和hR，D保持不变。

(2)在每帧的第1个时隙，信源节点S在QAM信号的同相分量上同时发送第一比特信息，中继节点R的接收信号rR(ti)为

(1)

式中：ti，i=1，2，…，N,表示时隙索引；bS[i]，i=1，2，…，N,为信源节点发送比特；s(ti)为归一化复基带波形；R(·)表示求取实部；ηR(ti)为中继节点R处的信道噪声。

(3)在每帧的第n(1

(2)

(3)

式中：I(·)表示求取虚部；ηD(ti)为信宿节点D处的信道噪声。

(4)

信源节点S按步骤(1)中的方法发送第n比特信息：

rR(tn)=hS，RbS[n]R(s(tn))+ηR(tn)

(5)

(6)

3 工程应用分析

传统上，QAM 星座总是作为一个整体分配给某一用户使用，本文将其进行拆解并分配给两个通信节点，从而实现了一种简易的全双工中继方法。如前所述，该方法无需复杂的干扰消除设备和处理模块，故特别适用于海量小尺寸物理网络通信节点。但同时也应注意到，这种对 QAM 星座的使用方式在工程应用中也会带来一些问题，根据研究，主要从如下两个方面加以分析：

(1)星座对齐问题。传统上，QAM 星座承载某一个节点的信息，信息衰落对其产生的影响是整体性的，故一般认为其在传输过程中不同分量之间不会失去正交性。对于本方案模型来说，不同用户使用同一调制星座，因信道衰落系数的影响，会在中继节点产生星座分量的相对偏差，从而使 QAM 星座的分量失去正交性，从而引起系统性能下降。在本方案中，假定信道系统可以理想估计，在发送端或接收端进行反向修正进行解决。为此，可在信源节点发送时，根据信道衰落情况，采用预信道发送补偿方法，亦即在发送时对发送信号根据信道系统加以补偿，使之在中继节点处保持正交。

(2) IQ 不平衡问题。理想情况下，同相和正交分量具有 90°相位差，但在实际的通信系统中，通常难以达到上述理想情况，因此产生 IQ 不平衡问题。对于本技术方案，IQ 不平衡问题呈现出两个新的特性：一是传统 IQ 不平衡产生于同一发射机(或接收机)，而本技术方案的 IQ 不平衡则来自不同的发射机(或接收机)，这对该问题的处理带来了额外复杂性，这是不利的一面；二是传统 IQ 两路信号承载同一通信节点的信息，故两路信号在承载信息上是相关的，而在本技术方案中，IQ 两路维度被分配给了不同的用户，相互之间在承载信息上是不相关的，这一特性将对 IQ 不平衡问题带来有利的一面。经研究，拟考虑收-发投影检测法加以解决，亦即接收信号向发送信号的法线上投影，并对该投影进行检测，能够取得很好的效果，同时可有效避免因接收信号淹没在发送信号中而导致的传统数字自干扰消除方法的 ADC 饱和等问题。

4 结 语

本文就小尺寸设备如何实现简易中继通信展开研究，提出了一种基于QAM信号的全双工中继技术。该技术几乎不用对通信收发机增设硬件，也无需传统自干扰消除复杂的软件算法，只需对QAM星座加以灵活利用，故成本低、额外功耗有限、对设备体积无特别要求，特别适用于小尺寸设备进行全双工中继协作通信。另外，本技术还可作为现有全双工干扰消除技术的有益补充，减少其残留自干扰，进一步提升中继系统的传输性能。由于物联网的到来而催生的小尺寸通信节点大量涌现，故本技术推广前景广阔，工程应用价值突出，后续将重点针对其性能分析与工程应用展开进一步研究。