一种基于正交信号的全双工双向中继方法

宋新海,苗 壮

(西安外事学院 工学院，陕西 西安 710077)

由于没有线缆的束缚，无线通信适应了人们日益增长的移动应用需求，成为现代电信行业发展最快的领域。然而，无线通信也同时带来令人头疼的信道衰落问题，于是可以有效对抗传输衰落的中继协作技术[1]应运而生。

传统的中继协作技术虽然具有提高传输速率、降低传输差错和扩大传输范围等诸多益处，但其“接收-转发”的半双工模式也使得频谱资源无法得到充分利用[2-3]。为此，Rankov等人提出了双向中继(Two-Way Relay)的概念及机制[4]，采用两用户节点同时向中继节点发送信号，中继节点再把接收到的混合信号广播给两用户节点的方式，实现了在同一个物理信道中同时支持两个单向通信。该机制巧妙利用任一用户节点在收到中继节点转发的混合信号中减去自己信号，即可解调出另一用户节点的信息，从而提升了频谱效率。不过，该机制仍工作于半双工模式，并非真正的同时同频全双工(Co-time Co-frequency Full Duplex,简称 CCFD)中继技术。CCFD通信曾在很长时间内在工程上被认为是禁忌技术，因为巨大的自干扰问题难以解决。但到了5G时代，源于频谱资源与带宽需求之间愈加尖锐的矛盾，同时得益于信息处理(尤其是自干扰消除)技术的快速进步，CCFD成为5G系统的关键技术之一[5]。相应地，与CCFD相结合的全双工中继(CCFD Relay)就成为中继协作技术的演进方向[6]。

本文在传统双向中继技术的基础上，利用正交信号内积为零的特性，设计自干扰隔离策略，提出一种简易的全双工双向中继(CCFD Two-Way Relay, Full Two-Way Relay, 简称FTWR)方法，特别适用于因物联网的到来而大量涌现的小尺寸节点实现中继协作通信。

1 系统模型与自干扰消除

如图1所示，本文面向三节点两跳这一典型系统模型展开研究，其中，两个用户节点A和B通过中继节点R实现信息交换，要求三个节点都工作于同时同频全双工模式。

图1 系统模型

要在该模型上进行全双工双向中继通信，必然产生强烈的自干扰，关键问题是采取怎样的自干扰消除措施。传统上，自干扰消除技术主要加诸于传输域、模拟域和数字域(或三者的组合)[6]。传输域一般采用被动隔离技术，如在收发天线之间安置屏蔽材料以增加两者之间的电磁隔离度，或利用极化电磁波形成收发信号之间的正交，或采用波束赋形技术使得接收天线工作于发射信号空间的零点；传输域也可采用主动消除技术，如利用主动参考信号进行干扰对消，不过这种方法需要增加一根接收天线用于从发射机提取参考信号。模拟域总是采用主动消除技术，根据模拟参考信号提取位置的不同可细分为射频模拟和基带模拟自干扰消除，一般是设计出单抽头或多抽头的自干扰消除器来消除自干扰中的直达波。与模拟域类似，数字域也采用主动消除技术，一般先利用数字信道估计器进行信道干扰参数估计，再利用数字滤波器重建干扰信号，主要用来消除自干扰中的多径到达波。

当前，蜂窝网、IEEE网络及物联网正在走向融合，促使超密集网络应运而生，并催生了小尺寸设备大量涌现。显然，上述传统自干扰消除方法要么需要在收发天线之间安置屏蔽介质，要么需要添加复杂的信号处理模块，必然对通信设备在体积和功耗等方面提出较高要求。因此，对于体积、功耗以及成本受限的小尺寸设备，需要寻找新的自干扰消除技术以实现全双工协作通信。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)信号的自干扰隔离方法引起研究人员的注意并得到进一步研究[7-8]。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。该方法具有成本低、功耗小、实现简单及操控灵活等诸多优点，但可惜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。

经过深入研究，发现该技术可引入本文的系统模型，用于解决全双工双向中继通信中的自干扰问题。传统上，调制星座仅供一个用户所用，受上述技术思想的启发，现将调制星座的两个自由度分别配置给中继与两个用户，即可实现中继与用户之间的干扰隔离。这里，虽然两个用户之间共用同一个自由度，但在处理来自中继的混合信号时，可像传统双向中继那样，通过减去自身所发送的信号来消除对另一用户的干扰。显然，这样的做法只是对调制星座的一个灵活运用，无需像传统方法那样在天线间安置隔离介质或在收发器中添加复杂的功能模块，故十分适合小尺寸节点的全双工通信需要。另外，本方法不但可单独使用，也可与传统自干扰消除技术联合使用，作为有益补充，减少其残留自干扰，从而进一步提升中继系统的整体传输性能。

2 调制星座分配及对齐

根据对转发信号处理的不同，中继方式可细分为放大转发(Amplify and Forward,简称AF)和解码转发(Decode and Forward,简称DF)，本文选用DF中继。调制星座的灵活应用是本方法实现自干扰消除的关键，其核心问题是如何利用正交信号内积为零的特性，设计出用户节点和中继节点对QAM星座的配置与使用方式。

图2 调制星座映射

3 信息帧格式及传输协议

信息帧如图3所示，其中每一个小方框代表一个符号，假定每帧有N个符号，调制方式采用二进制(多进制类似)。另外，假定在整个传输过程中，两用户A与B之间无直传链路。

图3 信息帧结构

假定所有信道状态服从相互独立的平坦Rayleigh慢衰落，所有信道噪声为加性高斯白噪声，并且所有的信道同步已经建立。基于前述的技术思想和星座分配方式，与信息帧相对应的传输协议设计如下：

(1)首先，获得用户节点A和B到中继节点R的信道系数。

可通过导频信号测得户节点A和B到中继节点N的信道系数hAR,hRA,hBR,hRB。由于系统工作于同时同频模式，故信道具有互易性，可假定hRA=hAR和hRB=hBR，为行文简便，统一用hAR和hBR表示。另外，因信道已经建模为慢衰落，故在整个信息帧内信道系数hAR和hBR保持不变。

(2)在每帧的第1个符号，用户节点A和B同时向中继节点N发送信息。

(1)

由双向中继协议可知，中继节点R处的接收信号rR(t1)为

(2)

式中：t1为符号索引，bA[1],bB[1]为两个用户节点发送的信息比特，sA(t1),sB(t1)为如图2星座点所示的基准发送信号，R(·)表示求取实部，ηR(t1)为中继节点R处的信道噪声。

(3)

式中：sign(·)为取符号函数，γth为某一能量门限。需要说明的是，此处对混合信号采用三进制解调，本质上是一种重叠编码，将在用户节点A和B解调时起到去噪转发映射的作用，如式(8)和式(9)所示。

(4)

式中：I(·)为求取虚部，ηA(tn),ηB(tn)为两个用户节点A和B处的信道噪声。

由于信道系数的影响，在用户节点处已经失去正交性，势必造成强自干扰，所以无法直接解调。但经深入研究，发现在本方案下，用户节点处的收发信号向量虽然已非正交，但在相位上却具有对称性，可利用其对称性实现解调。

图4 利用对称性解调

(5)

(6)

获得解调值ρrA(tn)后，可按如下判决得到混合信号的信息比特：

(7)

然后，减去自己的信息，即可检测到用户节点B在n-1时刻发送的信息比特为

(8)

式中:～为模2后再取反运算，例如～|1+1|=1和～|0-1|=0。

在用户节点B处进行平行处理，可得用户节点A发送的信息比特为

(9)

(c)两个用户节点A和B按公式(2)发送第n比特信息，向中继节点的接收信号为

(10)

4 结 语