面向6G的全双工通信系统自干扰信号处理关键技术

本书从新的自干扰信号消除机制，低复杂度全双工通信系统构建及全双工的双向中继信道信息交换机制三个方面研究了全双工通信系统中自干扰信号处理的关键技术。并尝试分析了全双工在6G的应用场景。

.未来通信技术的发展主要需要解决无线通信业务量爆炸式增长与频谱资源短缺之间的外在矛盾，其驱动着无线通信理论与技术的内在变革。由于无线频谱资源的稀缺特性，逐渐地成为了无线通信技术发展的瓶颈。同时同频全双工通信（本文中简称“全双工通信”）技术由于提高了无线通信系统频谱资源的利用率，已成为学界和工业界共同关心的一个重要问题。 
自干扰信号能否被消除成为能否实现无线全双工通信的关键。自干扰信号消除方案主要为空域的被动消除方案，模拟域的主动消除方案和数字域的数字消除方案。其中，现有的多天线被动消除方案对发送天线和接收天线的隔离度要求较高，这限制了设备的尺寸；现有的数字消除方案在高发送功率下性能会严重下降，这限制了全双工通信的距离和发送功率；且现有的方案都各自独立，没有充分利用自干扰信道的状态信息。双向中继信道作为典型的通信拓扑结构已得到了广泛的研究。现有的研究多集中在全双工中继的情况，即只有中继节点工作在全双工模式，而终端节点工作在半双工模式。

吴荻，博士，毕业于中国科学院，中国信通院高级工程师。长期从事5G/6G等移动通信关键技术，移动互联网生态、人工智能等方面研究。中国信通院青年课题负责人，北京理工大学、南京航空航天大学、北京邮电大学硕士企业导师。发表多篇SCI/EI等文章篇，获得国家发明专利3项，软件著作权5项，通过工信部信息系统项目管理师认证（高级）。曾获中国科学院院长奖，中国信通院项目成果（科技）奖一等奖、优秀青年项目一等奖、学术论文一等奖（皆第一完成人）等多项奖励。

第1 章　 引言 1
　 1. 1　 本书的研究背景及意义  1
　 1. 2　 6G 总体愿景与潜在关键技术 3
　 1. 3　 6G 典型场景和关键能力 7
　 1. 4　 全双工技术国内外研究现状  7
　 1. 5　 本书研究内容 19
　 1. 6　 本书组织结构 21
第2 章　 全双工无线通信基本知识  22
　 2. 1　 引言 22
　 2. 2　 无线通信基本原理 22
　 　 2. 2. 1　 调制与解调 22
　 　 2. 2. 2　 数模/模数转换  28
　 　 2. 2. 3　 天线与电波 30
　 　 2. 2. 4　 无线信号传播 37
　 　 2. 2. 5　 自适应滤波器 42
　 　 2. 2. 6　 多址技术 44
　 　 2. 2. 7　 MAC 协议  49
　 2. 3　 自干扰信号抑制 52
　 　 2. 3. 1　 被动消除方案 52
　 　 2. 3. 2　 主动消除方案 55
　 　 2. 3. 3　 数字消除方案 59
　 2. 4　 节点间干扰抑制 62
　 2. 5　 全双工系统容量分析 64
　 2. 6　 全双工 MAC 协议设计  65
　 2. 7　 本章小结 66
第3 章　 自干扰信号消除方案  67
　 3. 1　 引言 67
　 3. 2　 基于多径反射的被动消除方法 67
　 　 3. 2. 1　 理论分析 67
　 　 3. 2. 2　 实验结果 70
　 3. 3　 基于牛顿法的非线性数字消除方法 77
　 　 3. 3. 1　 自干扰信号基带通信链路模型 77
　 　 3. 3. 2　 基于牛顿法的非线性数字消除方法总述 81
　 　 3. 3. 3　 基于递归最小二乘算法的线性部分初值估计 82
　 　 3. 3. 4　 基于牛顿法的迭代全局系数求解 84
　 　 3. 3. 5　 数字消除实验结果 87
　 3. 4　 联合被动消除和数字消除机制 93
　 　 3. 4. 1　 联合消除机制的基础 93
　 　 3. 4. 2　 联合消除机制的具体阐述 94
　 　 3. 4. 3　 实验结果 96
　 3. 5　 本章小结 98
第4 章　 低复杂度无线全双工通信系统原型  99
　 4. 1　 引言 99
　 4. 2　 实验平台简要介绍  101
　 　 4. 2. 1　 WARP V3 介绍 101
　 　 4. 2. 2　 WARPLab 介绍 103
　 4. 3　 系统设计方案  105
　 　 4. 3. 1　 系统总述  105
　 　 4. 3. 2　 同步方案  106
　 　 4. 3. 3　 帧格式  107
　 　 4. 3. 4　 载波偏移消除方案  108
　 4. 4　 实验结果  109
　 　 4. 4. 1　 被动消除性能实验结果  110
　 　 4. 4. 2　 总消除性能实验结果  112
　 　 4. 4. 3　 系统速率实验结果   实113
　 4. 5　 本章小结  117
第5 章　 全双工的双向中继信道信息交换机制 118
　 5. 1　 引言  118
　 5. 2　 模型建立  121
　 5. 3　 全双工译码转发方案分析  123
　 5. 4　 全双工放大转发方案分析  128
　 5. 5　 仿真结果  132
　 5. 6　 本章小结  137
第6 章　 全双工在6G 的应用场景分析  138
　 6. 1　 6G 发展驱动力及典型特征 138
　 6. 2　 6G 市场趋势 139
　 6. 3　 6G 关键能力 140
　 6. 4　 全双工在6G 中的应用场景  141
　 　 6. 4. 1　 超级无线大带宽场景  141
　 　 6. 4. 2　 超大规模连接的场景  142
第7 章　 总结与展望  143
　 7. 1　 总结  143
　 7. 2　 展望  145
缩略词表  148
插图索引  150
表格索引  153
参考文献  154

未来通信技术的发展主要需要解决无线通信业务量爆炸式增长与频谱资源短缺之间的外在矛盾, 其驱动着无线通信理论与技术的内在变革。由于无线频谱资源的稀缺特性, 其逐渐成为无线通信技术发展的“ 瓶颈”。同时, 同频全双工通信(本书中简称“ 全双工通信” ) 技术由于提高了无线通信系统频谱资源的利用率, 已成为学术界和工业界共同关心的一个重要问题。自干扰信号能否被消除成为能否实现无线全双工通信的关键。
自干扰信号消除方案主要为空域的被动消除方案、模拟域的主动消除方案和数字域的数字消除方案。其中, 现有的多天线被动消除方案对发送天线和接收天线的隔离度要求较高, 这限制了设备的尺寸; 现有的数字消除方案在高发送功率下性能会严重下降, 这限制了全双工通信的距离和发送功率; 现有的方案都各自独立, 没有充分利用自干扰信道的状态信息。双向中继信道作为典型的通信拓扑结构已得到了广泛的研究。现有的研究多集中在全双工中继的情况, 即只有中继节点工作在全双工模式, 而终端节点工作在半双工模式。
本书从新的自干扰信号消除机制、低复杂度全双工通信系统构建及全双工的双向中继信道信息交换机制三个方面研究了全双工通信系统中自干扰信号处理的关键技术, 并尝试分析了全双工在6G 的应用场景。
本书主要论述了如下内容:
(1) 针对现有的多天线全双工通信系统中被动消除方案在收发天线隔离度上的局限性, 提出了一种基于多径反射的被动消除方法,推导了该方法下接收信号功率在平面空间的表达式, 并给出了寻找接收天线最佳位置的方法。该方法仅利用两根天线及一块外置反射板进行被动消除, 并对两根天线之间的物理距离在理论上没有严格要求, 突破了终端的物理尺寸限制。
(2) 针对现有的全双工通信系统中的线性数字消除方法的局限性, 提出了一种基于牛顿法的非线性数字消除方法。本书首先针对实验设备中典型的自干扰通信链路进行数学建模, 纳入了功放引入的非线性噪声、模数转换中的量化噪声、相位噪声及多径效应模型。其次, 探讨了自干扰信号非线性建模的最佳多项式形式。最终, 实验结果表明, 所提出的非线性数字消除方法很好地解决了以往数字消除方法在大发送功率时性能下降的问题。
(3) 针对现有的自干扰信号消除方法在不同域内互相独立的方案的局限性, 提出了一种利用自干扰信道的状态信息的联合被动消除和数字消除的机制。由于被动消除方法的引入会改变自干扰信道的状态信息, 本机制利用该状态信息作为依据, 以调整数字消除部分的滤波器阶数, 平衡数字消除方法的性能和计算复杂度。
(4) 利用无线开放可编程研究平台, 设计了一套低复杂度的全双工通信系统。该通信系统可以仅依靠被动消除和数字消除方案进行全双工通信。本书完成了该系统的同步方案、数字消除方案、帧格式设计方案、相位噪声消除方案, 并在相同环境下, 与半双工通信系统进行了分析对比。实验结果表明, 该系统在一定的发送功率和通信距离下的系统表现优于半双工通信系统。
(5) 针对目前双向中继信道下节点工作在半双工状态下的局限性, 提出了终端节点和中继节点皆工作在全双工状态下的两种信息交换机制: 解码转发机制和放大转发机制。讨论了全双工技术的引入给该模型带来的系统吞吐量增益, 并考虑了对称信道和非对阵信道两种情况。仿真结果表明, 所提出的两种机制在一定的信噪比条件和交换比特的条件下, 优于已有的双向中继信道下的信息交换机制。