全双工通信中的自干扰消除技术 学位论文.docx

全双工通信中的自干扰消除技术 学位论文.docx

《全双工通信中的自干扰消除技术 学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全双工通信中的自干扰消除技术 学位论文.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

全双工通信中的自干扰消除技术学位论文

中国科学技术大学

本科毕业论文

题目全双工通信中的自干扰消除技术

英文TheTechnologyofSelf-InterferenceCancellationinFullDuplexCommunication

目录

摘要........................................................................................................................2

第1章引言........................................................................................................3

1.1背景资料..............................................................................................3

1.2选题意义..............................................................................................6

1.3我的任务..............................................................................................7

第2章无线传输技术综述................................................................................8

2.1无线传输的历史及发展......................................................................8

2.2TDD和FDD........................................................................................9

2.3CDMA.................................................................................................14

2.4同时同频全双工.................................................................................16

第3章天线干扰消除.....................................................................................19

3.1天线消除原理.....................................................................................19

3.2天线消除效果.....................................................................................20

3.3小结.....................................................................................................31

第4章射频干扰消除.......................................................................................31

4.1射频消除概念.....................................................................................31

4.2射频消除效果.....................................................................................32

第5章数字干扰消除.......................................................................................33

5.1数字消除原理.....................................................................................33

5.2数字消除理论推导.............................................................................33

5.3数字干扰消除分析与小结.................................................................38

第六章结束语...................................................................................................38

参考资料...............................................................................................................39

致谢.......................................................................................................................41

摘要

要实现全双工通信，要克服诸多困难，其中最主要的瓶颈就是收发机的自干扰问题。

当发射机发送某个信号时，其中的部分能量会被自身的接收装置接收到。

如果正好发送与接收信号同频率，就会产生干扰。

并且由于信号源离自身的接收机很近，所以自己发射出去的信号能量可能会比接收到的信号能量大，甚至高达100dB以上。

为了能正确解码所需要接收的信号，就要求我们的自干扰消除性能至少达到100dB。

目前世界上所研究的都是多级消除，即天线干扰消除、射频干扰消除、数字干扰消除等来达到更好的消除性能。

其中天线干扰消除一般可达40+dB，射频域和数字域干扰消除均可达30+dB，已能初步满足实验条件下的全双工通信。

关键词:

全双工、自干扰、干扰消除

Abstract

Toachievefull-duplexcommunicationmustovercomemanydifficulties,andwhatthemostimportantistheself-interferenceoftransceiver.Whenatransmittertransmitsasignal,partoftheenergywillbereceivedbytheitself.Ifyousendandreceivesignalsexactlythesamefrequencywillcauseinterference.Sincethesignalsourceandthereceiverareplacedclose,thesignaltransmitedbyitselfmaybestrongerthanthereceivedsignal,evenuptomorethan100dB.Inordertocorrectlydecodethereceivedsignal,itisrequiredthattheperformanceofinterferenceachieveatleast100dB.Thestudyoftheworldaremulti-stageelimination,suchasantennainterferencecancellation,RFinterferencecancellationanddigitalinterferencecancellationtoachievebetterelimination.Whichantennainterferencecancellationgenerallyupto40+dB,andtheinterferencecancellationofRFdomainsanddigitaldomainscanbeupto30+dB,hasbeenabletomeettheinitialfull-duplexcommunicationunderexperimentalconditions.

Keyword：

full-duplex,self-interference,interferencecancellation

第一章引言

1.1背景资料

从烽火狼烟到现在的移动无线设备，人类的通信方式发生了质的飞跃。

自从1864年著名物理学家麦克斯韦语言了电磁波存在以及1887年著名物理学家赫兹验证了电磁波之后，无线通信技术开始慢慢渗入我们的生活。

本文主要研究了现代移动通信技术的最新成果以及发展趋势。

从20世纪初开始运营的第一代移动通信系统——模拟移动通信系统到第二代数字移动通信系统GSM及窄带CDMA再到第三代基于话音业务为主的支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，我们的通信质量在提高，我们的要求也越来越高，所以我们的通信技术仍然没有停止发展的脚步……随着工信部为中国三大运营商颁发4G牌照，标志着新一代移动通信系统正式投入商用。

与此同时，下一代无线通信技术——第五代移动通信技术也正在各个国家研究机构如火如荼的进行着……没有最好，只有更好，我们的通信技术正在朝更快速，更高效，更小错误率的方向发展。

第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟蜂窝电话标准，只能语音通信，该标准于上世纪80年代制定。

模拟移动通信系统是蜂窝移动通信系统发展的早期阶段，在1946年，第一种公众移动电话服务被引进到美国的25个主要城市，每个系统使用单个大功率的发射机和高塔，覆盖地区超过50公里，但仅能以半双工模式提供语音服务，却使用120kHz带宽。

虽然经过了后来技术的进步而提高了频谱使用效率，提供了全双工、自动拨号等功能，但提供的服务由于频道的数量很少以及呼叫阻塞等原理不能满足使用。

在50和60年代，AT&T的贝尔实验室和全世界其他的通信公司发展了蜂窝无线电话的原理和技术。

利用在地域上将覆盖范围划分成小单元，每个单元复用频带的一部分以提高频带的利用率，即利用在干扰受限的环境下，依赖于适当的频率复用规划（特定地区的传播特性）和频分复用（FDMA）来提高容量。

从而实现了真正意义上的蜂窝移动通信。

由于受到传输带宽的限制，模拟移动通信系统不能进行长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。

第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等，正是如此，模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。

正是由于第一代模拟移动通信系统的诸多不足，比如不能全球漫游，由此诞生了第二代移动通信系统。

GSM是GlobalSystemforMobileCommunication“全球移动通信系统”的简称。

它是一种数字移动通信，较之以往的模拟移动通信，有较多的优点。

首先，客户与设备分离（人机分开）。

在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口，这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。

在SIM卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加密算法等，只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台，得到卡内存储的各种业务的服务，大大方便了客户，大大增强了GSM通信的移动性，也大大地增强了各生产厂家的设备的共享性。

其次，通信安全可靠。

因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以它属于智能卡。

最后，其成本低。

它比电话磁卡的成本低，并且质地结实耐用，易于推广。

近年来，第三代移动通信技术正蓬勃发展，这种支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百Kbps以上。

3G系统致力于为用户提供更好的语音、文本和数据服务。

与现有的技术相比较而言，3G技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。

此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。

3G将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合，成为了继第二代移动通信技术之后的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：

CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。

中国国内支持国际电联确定三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA，中国移动的TD-SCDMA，GSM设备采用的是时分多址，而CDMA使用码分扩频技术，先进功率和话音激活至少可提供大于3倍GSM网络容量，业界将CDMA技术作为3G的主流技术，3G主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。

目前已有538个WCDMA运营商在246个国家和地区开通了WCDMA网络，3G商用市场份额超过80%，而WCDMA向下兼容的GSM网络已覆盖184个国家，遍布全球，WCDMA用户数已超过6亿。

随着生活水平的不断提高，人们对科技的需求也越来越大，于是第四代移动通信技术应运而生。

4G的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。

它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。

第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。

第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。

此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

第四代移动通信系统采用TD-LTE标准。

LTE是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式用于成对频谱和非成对频谱。

LTE标准中的FDD和TDD两个模式实质上是相同的，两个模式间只存在较小的差异，相似度达90%。

TDD即时分双工（TimeDivisionDuplexing），是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD频分双工相对应。

但是TD-LTE与中国移动公司采用的第三代标准TD-SCDMA实际上没有关系，TD-LTE是TDD版本的LTE的技术，FDD-LTE的技术是FDD版本的LTE技术。

TD-SCDMA是CDMA（码分多址）技术，TD-LTE是OFDM（正交频分复用）技术。

两者从编解码、帧格式、空口、信令，到网络架构，都不一样。

不过第四代通信技术仍然是采用半双半通信，为了让通信技术进一步发生质的飞跃，全双工通信的概念渐渐凸显出了其重要性。

对于目前正在筹划阶段的5G网络来说，全双工是一个核心技术。

另外，目前频谱利用率还不理想，频谱段紧缺，这也推动了新一代移动通信技术的研发进程。

虽然第五代移动通信技术目前还没有一个具体标准，不过通信相关的科研人员已经开始着手筹备5G相关工作了。

1.2选题意义

1、全双工通信的概念

全双工通信又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息的信息交互方式。

无线领域的全双工强调相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，这样就使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。

同时同频全双工（CCFD）近端设备与远端设备的无线业务相互传输发生在同样的时间、相同的频率带宽上，这与现有的时分双工（TDD:

TimeDivisionDuplexing）和频分双工（FDD:

FrequencyDivisionDuplexing）体制相比，理论频率效率可以提升1倍。

2、全双工通信的优势及前景

作为新一代移动通信技术的核心，全双工通信动摇了人们脑海中已经根深蒂固的观点：

收发机在同一信道下只能在半双工模式下工作（既能发送也能接收，但不能同时进行）。

目前斯坦福大学和莱斯大学的研究人员，联合业内其他一些学术组，提出了多种带内全双工收发机的设计方案。

如果可以实现的话，全双工将对网络设计带来巨大的影响，可以在无线通信系统中发挥多种作用，诸如：

a、提高链路容量：

理论上讲，真正的全双工可以使传统的半双工信道容量翻倍，因为可用频谱资源能在时间和频率上得到充分的使用。

b、频谱虚拟化：

全双工可以看成是FDD的一种极端情况，只不过它的两个信道是完全重叠的，并且利用SIC技术可以将成对的同频率的发送和接收信号分离开来。

本质上，它就像是一个软件控制的双工器，不仅可以减少维持多种零碎频谱的成本，并且使无线收发机更有效地利用零散频谱。

c、任何分（ADD）双工：

SIC消除了TDD和FDD之间的区别，TDD将会被带内全双工取代，而传统的FDD则大大受益于SIC的可配置性。

d、新颖的中继解决方案：

应用自干扰消除技术，频谱资源可以同时在发送和接收端进行复用，使异构网络能够实现几乎瞬时重发和高吞吐量的网络操作。

e、增强干扰协调能力：

在传送数据时同时接收反馈信息（如控制信道指令），能够缩短无线接口的延迟，有利于干扰协调技术及时间/相位同步技术的作用。

1.3我的任务

1、全双工通信中的自干扰现象

全双工有着如此巨大的好处，为什么直到目前为止还处在试验阶段？

因为要实现全双工通信，要克服诸多困难，其中最主要的瓶颈就是收发机的自干扰问题。

如图1所示，当发射机发送某个信号时，其中的部分能量会被自身的接收装置接收到。

如果正好发送与接收信号同频率，就会产生干扰。

并且由于信号源离自身的接收机很近，所以自己发射出去的信号能量可能会比接收到的信号能量高数十亿倍（100dB+）。

打个比方，要想同时同频发送和接收就相当于当你尽最大能力大声呼喊的同时试图听别人说悄悄话，这显然是不太可能的。

这个问题一直未能解决，所以到目前为止无线通信设备都只能以半双工模式工作，比如TDD，在同一频率下将发送和接收信号的时间错开来避免自干扰。

鉴于自干扰的存在，或许只能进行半双工通信。

但是如果收发机能够完全消除自干扰，未来的无线通信网络将会有怎样的改变呢？

目前，通过在现实世界环境中的几组现场演示结果来看，自干扰消除技术（SIC）已经在工业界和学术界取得了巨大的进步，这也为未来网络新的技术变革带来了福音。

2、自干扰的消除方法

为什么自干扰消除会成为阻碍全双工通信技术发展的瓶颈？

很多人认为，既然发送方知道被发送信号的相关参数，所以即使自身的接收机误接收了这些发送信号，过滤它们应该也是相对容易实现的。

但在实际中，却并非那么简单：

尽管无线收发机确切知道被发送的数字基带信号，但是一旦该信号转变成模拟信号，并且还加上载波进行上变频之后，那么被发送信号和原来的基带信号会大不相同。

因为在无线设备天线中的许多电子电路会使信号发生失真，既包括线性失真也含有非线性失真，并且这些失真的模拟信号还会被加入噪声（例如功率放大器会产生噪声干扰到发送信号中），所以天线发射出去的模拟信号是不准确的，并且不同频率信号还会有不同程度的时延和失真等等。

由此可见，直接减去“已知的”基带信号而不考虑上述模拟失真是不行的。

SIC体系结构的目标就是对干扰进行建模来预测扭曲失真，这样就可以在接收机上对信号进行补偿。

这其中有两个效应要注意：

接收机饱和度和非线性自干扰。

如果输入信号超出了由它们模数转换器决定的某个特定阀值，无线设备的接收机就会达到饱和。

任何对数字信号采取的消除技术必须先对扭曲失真进行建模并且根据信号发生的变化随时进行调整。

第2章无线传输技术综述

2.1无线传输的历史及发展

人类的无线通信历史不长，但是却一直在突发猛进的发展。

1832年莫尔斯发明了电报，它传送的信息是由众所周知的点划码组成的，可以认为人类最早的无线通信是采用数字方式进行的。

以后贝尔又发明了电话，并由此造就一个电信产业，这是一种模拟信号的方式来进行的无线通信。

一个多世纪以来，以电话服务为主的电信业走了一条成功之路，取得了极大的发展。

然而随着人类社会的发展，电信业务也从早期的电报、电话发展到今天多种业务并存的局面，通信的规模也发生了翻天覆地的变化。

随着科学技术的发展，现代通信又进入了数字时代。

20世纪90年代信息革命的浪潮，建设信息高速公路的号角声，信息和知识爆炸式的增长，特别是因特网商用化后的迅猛发展，使传统的电信业受到巨大的震动和冲击。

带给我们的启示是，问题的核心在于“信息”。

在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中，人们更加需要随时随地获取信息，原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。

人类需要宽带的无线通信技术，来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。

无线通信是指采用电磁波进行信息传递的通信方式。

早在1897年，马可尼使用800KHZ中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的线无电报通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。

在无线通信初期，受技术条件的限制，人们大量使用长波及中波进行通信。

20世纪20年代初人们发现的短波通信，直到20世纪60年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。

20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽、性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。

模拟调频传输容量高达2700路，亦可同时传输高质量彩色电视信号；尔号逐步进入中容量至大容量数字微波传输。

80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性变化。

特别应该指出的是20世纪80年代到90年代发展起来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术，对现今卫星通信、移动通信、全数字HDTV传输、通用高速有线/无线接入，乃至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用，发挥了重要作用。

随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。

2.2FDD和TDD

1、FDD与TDD概念

FDD（FrequencyDivisionDuplexing），即频分双工，操作时需要两个独立的信道，一个信道用来向下传送信息，另一个信道用来向上传送信息，两个信道之间存在一个保护频段，以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。

FDD模式的特点是在分离（上下行频率间隔190MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保护频段来分离接收和传送信道。

TDD（TimeDivisionDuplexing），即时分双工，是在帧周期的下行线路操作