带内全双工水声通信系统自干扰抵消技术研究框架与思路*

赵云江

（中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

作为6G 潜在关键技术中增强型无线空口技术的分支——带内全双工（IBFD,In-Band Full-Duplex）技术[1-2]，因其频率效率提升显著、传输资源可高灵活度配置等优势，受到了广泛的关注。相较于无线电通信系统，水声通信（UWAC,UnderWater Acoustic Communication）系统在面临着更恶劣的信道条件的同时[3]，频谱资源也更加紧缺，仅为几kHz 至几十kHz。如何在UWAC 系统带宽严重受限的情况下进一步提高水声通信系统的频谱效率，是目前水声通信技术研究领域面临的核心问题之一[4]。

IBFD 技术为该问题带来了新的解决途径，在上述背景下具有极高的研究意义与应用价值，因此IBFD-UWAC 技术[5]逐渐成为目前水声通信领域的研究热点之一。除提升频率效率外，IBFD-UWAC 还具有诸多优势，如可降低节点间信息交互所需时间、按需灵活调整节点间通信系统双工体制、在主动发射干扰下可增加节点信息安全性等。

目前，针对IBFD 技术的研究主要集中于无线电通信领域，与IBFD 无线电通信系统类似，IBFD-UWAC 系统需要解决的最主要问题即是本地强自干扰抵消（SIC,Self-Interference Cancellation）。诸多研究内容与成果以及无线电与水声通信系统分别在实现IBFD 通信的过程中所面对问题的差异分析，参见文献[6] 和[7]。本文基于现有研究及分析结果，提出了一种适用于IBFD-UWAC系统的理论研究框架，同时对研究过程中发现的新问题展开讨论，并对未来研究的方向进行了展望。

1 IBFD-UWAC研究现状简述与实验结果分析

目前，尚无公开的、完整的可实现从SIC（多域联合）到期望信号正确解调（低误码率）整个流程的可双端同时支持的带内全双工水声通信系统公里级外场实验验证结果。同时，研究成果多以单域抵消后（或以单独模拟域/ 数字域配合空间干扰抑制）完成解调（较高误码率）或以抵消量的多少作为技术先进性的评价准则。但需要明晰的是，各域间抵消性能将产生类似“制约”的影响，如空间干扰抑制过强，则模拟及数字域干扰抵消性能将下降，类似总结参见文献[8]，其中对IBFD 无线电通信系统中空间自干扰抑制、模拟域SIC、数字域SIC 这三种方案不同组合下的性能进行了对比与分析。

此外，在各类研究中，若以最终实现IBFD-UWAC 系统为目标（独立运行设备），则目前的自干扰传播信道假设与实际存在一定差异，文献[9]至[11]都获得了较为复杂的自干扰信道结果，已脱离“稀疏”信道范畴，同时实际应用环境中持续时变的自干扰信道[12]也给SIC 过程带来了困难。下面通过具有外场实验的部分文献及实测自干扰数据对自干扰传播信道进行进一步说明，并以此为基础对适用于SIC 过程的自适应滤波器技术进行阐述。

1.1 自干扰传播信道特性分析

文献[13]对IBFD-UWAC 系统的自干扰信号传播信道进行了测量，采用独立发射换能器与接收换能器，实验结果表明，在一定条件下自干扰信号传播信道可超过1 s，同时当传播时间达到0.5 s 时，自干扰强度仅下降不到60 dB。文献[14] 利用声障板、发射换能器以及两个水听器通过对照试验得出了重要结论，即近端接收端接收到的绝大部分自干扰属于直达自干扰（亦称环路自干扰），直达部分信道较为稳定，该部分干扰可以通过声障板进行抑制，但随时间变化的由界面反射引起的多径自干扰仍然需要考虑如何进行信道估计与抵消。

文献[11] 利用IBFD-UWAC 工程样机对环路自干扰及多径自干扰进行了测量，并基于工程样机1:1 比例有限元仿真模型对环路自干扰传播过程进行了仿真，仿真及实验结果证明了在文中工程样机上发射和接收端布置方法下，环路自干扰将受到IBFD-UWAC 电子舱体影响，环路自干扰信道变得相当复杂，同时实测多径自干扰在发射结束100 ms 且经历了多次反射后，与环路自干扰峰值能量相比仅下降50 dB，因此如何在实际应用中合理地选择电子舱体材料、收发端布放位置以最大程度降低自干扰复杂度与强度是需要关注的问题。文献[15] 针对不同结构的通信机电子舱体以及不同布放位置下自干扰强度差异进行了仿真与分析，研究结果表明不同结构及布放位置下自干扰能量强度变化可达十余分贝。

对文献[11] 中不同布放深度下采集的环路自干扰数据进行进一步处理，可得不同深度下环路自干扰信号传播信道处理结果如图1 所示：

图1 基于IBFD-UWAC工程样机实测不同深度下环路自干扰信号传播信道

由图1 可知，环路自干扰传播信道实测结果反映的特性与文献[14]实测结果基本一致，即环路自干扰传播信道较稳定。

综合上述内容，对IBFD-UWAC 系统在实际应用中的自干扰传播信道特性进行总结如下：

（1）自干扰信号将以较慢的能量衰减速度持续较长时间，在一些特定的环境场景中可能会持续超过1 s；

（2）自干扰传播信道具有极高的复杂度，无论以设备级角度分析还是以自干扰抵消性能角度分析，基本都无法将自干扰传播信道视为稀疏信道；

（3）环路自干扰传播信道在上述应用环境中基本都保持着一定的稳定性，这为干扰抵消提供了一定的前提条件；

（4）由于界面波动（以水面为主）影响以及水下设备在水中受水流影响导致的随机漂移，会使多途自干扰信道存在较大的时变性。

自干扰信道估计精度将直接影响SIC 效果，本文基于目前已知自干扰传播信道特征，下面对现有的自干扰抵消系统结构及技术进行论述与分析。

1.2 IBFD-UWAC SIC系统结构及技术研究现状简述

由于IBFD-UWAC 系统的模数转换器（ADC,Analog-to-Digital Converter）动态量化范围有限，当自干扰信号能量过强时，将造成ADC 阻塞效应，导致系统无法采集到远端弱期望信号，因此需在模拟域进行第一次SIC 处理，使远端弱期望信号可以完整进入到ADC 动态量化范围当中，以便数字域进行下一步的处理。文献[16] 基于一种类似数字辅助模拟自干扰抵消（DAA-SIC,Digitally Assisted Analog Self-Interference Cancellation）[17]的SIC 系统结构，以归一化最小均方误差（NLMS,Normalized Least Mean-Square）算法为核心，在浅水信道下实现了初步的模拟域SIC，也证明了信号误差对自干扰抵消性能的影响。这意味着在模拟域SIC 过程中，还需考虑功率放大器（PA,Power Amplifier）等电子器件对信号的非线性失真影响。

而对于非线性失真影响，目前IBFD-UWAC 系统一般有两种方式应对：一是将PA 输出通过衰减器引入到数字域作为自适应滤波器输入参考信号，用以抵消自干扰信号中的非线性失真分量：二是通过预失真进行补偿或通过PA 行为模型对自干扰信号非线性部分进行建模与重构，进而进行抵消。文献[9]提出了一种基于PA 输出获取的数字域SIC 系统结构，利用PA 输出作为自适应滤波器输入参考信号，相比于利用数字调制信号作为自适应滤波器输入参考信号获得了额外23 dB 的增益效果。同时，对比了NLMS 与RLS-DCD算法在进行SIC 时的性能差异，结果表明当RLS-DCD 与NLMS 达到相同的稳态效果时，RLS-DCD 具备更高的收敛速度。文献[18]提出了一种新型DAA-SIC 结构，该结构结合了数字预失真（DPD,Digital Pre-Distortion）补偿以及记忆多项式（MP,Memory Polynomial）模型，首先通过DPD过程降低PA 非线性失真对发射信号的影响，再通过辅助链路及衰减器获取发射信号，然后对发射信号中DPD 过程未能完全补偿的非线性部分通过MP 模型进行建模与重构，并将重构结果作为数字域自适应滤波器输入参考信号，最后对在辅助链路不同有效量化位数下的系统性能进行了仿真，结果表明该结构可在一定程度上降低非线性失真分量及辅助链路有效量化位数对SIC 性能的影响。文献[19]除针对PA 非线性失真影响外，还考虑了接收端前置放大器的非线性失真影响，采用一种非线性均衡器模型实现了对前置放大器非线性失真均衡。从实时实现的角度出发，文献[20]结合半实物仿真系统在时变水声信道下实现了对3 kHz 单载波自干扰信号的抵消，所述系统基于LMS 算法在一定步长设定下实现了近55 dB 的实时自干扰抵消效果。文献[21]基于实测自干扰信道结果，结合多通道判决反馈均衡器，提出了一种迭代IBFD-UWAC 系统接收机结构，在湖试中实现了80 m 的性能演示，当自干扰源强度降低10 dB 时，IBFD 通信距离可以扩大到170 m。文献[22]提出了一种将基扩展模型方法与滑动窗口RLS（SRLS,Sliding-window RLS）算法相结合的低复杂度内插自适应滤波器，仿真及湖试结果表明该改进型自适应滤波器较经典SRLS 具备更低的复杂度，同时在所搭建的IBFD-UWAC 系统中实现了超过50 dB 的干扰抵消效果。

考虑到上文所述的自干扰传播信道特征，同时结合目前已有外场实测数据处理过程的文献来看，多数SIC系统都采用自适应滤波器或其变型对自干扰信号进行信道估计、重构与抵消，这意味着在目前阶段自适应滤波器是最适宜SIC 的手段之一，结合前文所述的四点自干扰信道特性可知，若以实现IBFD-UWAC 系统为目标，则需对现有自适应滤波器性能提出以下要求：

（1）以SIC 性能为指标，自适应滤波器需具有较好的稳态性能（SIC 性能上限）；

（2）以时变自干扰信道特征为先验信息，自适应滤波器需在较长的信道时延下具备较高的收敛效率，同时具备能够对变化的自干扰信道快速反应的能力；

（3）以实际工程应用角度出发，IBFD-UWAC 系统中的自适应滤波器在迭代过程中算法复杂度应在不影响SIC 性能的基础上尽可能低；

（4）除SIC 性能为指标外，考虑最终以实现顺利解调为目的，需以信干比（SIR,Signal to Interference Ratio）作为指标进一步衡量自适应滤波器性能。

上述基本也是自适应滤波器重要的研究方向，相关技术包括但不仅限于变步长（VSS,Variable Step Size）LMS 滤波器[23]、改进型比例归一化（IPN,Improved Proportionate Normalized）LMS 滤波器[24]、变遗忘因子（VFF,Variable Forgetting Factor）RLS 滤波器[25]、其他改进型RLS 滤波器[22]等。

同时从上述文献中可知，在以工程实现的角度出发进行SIC 时，需考虑到电路器件对系统性能的影响，而这一点在传统的以半双工体制为主的UWAC 设备中基本很少被考虑到，但亦可对半双工体制UWAC 系统起到一定性能提升的作用，如在了解非线性器件的影响后，可考虑针对发射机PA 部分进行优化，降低实际发射的通信信号的畸变，从而在一定程度上提升系统的性能。

除上述提及的硬件影响外，笔者在此分享一些在系统实现过程中发现的问题。现有的诸多研究结果都以是否可将自干扰降低至本底噪声门限作为性能评价依据，但在实际电联调测试中发现由于辅助链路的存在，将导致数字域本底噪声较大，因此需考虑在模拟及数字电路中采取一定的措施如增加磁珠隔离、缩短共地线等，对噪声进行进一步压制。在对减法器（亦或称为合并器）性能实测过程中，还发现抵消性能存在周期性波动，经过分析可知该波动大概率来源于采样率偏差，该偏差将导致重构自干扰与自干扰信号之间存在相位差异，这将直接降低抵消性能。下面将针对上述总结内容，就SIC 系统结构及技术研究框架进行详细说明。

2 IBFD-UWAC SIC技术研究框架与思路

针对上文研究现状与实验结果分析以及电联调实现过程发现的问题，提出一种具有一定实用性的IBFDUWAC SIC 技术研究框架，体现了各域SIC 间的相互联系、制约及促进作用，具体如图2 所示。

图2 IBFD-UWAC SIC技术研究框架

空间域与传播域在空间上属同一范围，但在传播域上的处理以自干扰信号在传播过程中的信道多途结构建模为主，因此命名为传播域；而空间域自干扰抑制主要通过物理隔离、波束形成等技术，属利用空间及多路接收获得增益效果，因此命名为空间域，为使其意义清晰，特在此进行区分。

从传播域上看，自干扰传播信道呈现长时延、高复杂度、局部稳定性（环路自干扰部分）、时变性的特征，因此在研究中可基于现有研究经验，以不同的信道估计方法分别对环路自干扰与多途自干扰进行信道估计，同时基于实测数据充分研究自干扰信道特性并尝试进行建模，以便当实测数据不足时，为后续模拟域、数字域SIC技术研究中的自干扰信道假设提供合理依据。此处可包含但不仅限于环路自干扰信道建模、时变多途自干扰信道建模、基于基扩展模型的时变信道跟踪等。

从模拟域上看，由于受到器件影响，该部分SIC 过程显得尤为复杂，需合理应对功率器件、功能器件（衰减器、合并器等）、前置放大器对SIC 性能的影响，其中不同于无线电通信系统中的功率放大模块特征，水声类功放往往需对电容进行充电以达到所期望的发射声源级，但在IBFD-UWAC 系统中，这意味着记忆效应的增强，因此需提高模型记忆深度（阶数），当参数设定小于实际情况时，模型拟合效果将下降。模拟域SIC 过程中，需应对更为复杂的信道条件，同时要对时变部分信道（SMI）及缓慢变化信道（SLI）分别进行抵消，其中可采用组合形式，即“固定延迟滤波器+自适应滤波器组合”或“DAA-SIC 结构”，若引入DAA-SIC 系统结构，数字域SIC 算法的性能提升可带动模拟域SIC 性能的提升。同时，若以独立的数字域SIC 为研究方向，则该部分SIC效果可结合总的干扰抵消需求为数字域SIC 研究中自干扰及期望信号强度提供合理假设。

从数字域上看，可以时变自干扰信道特征为研究导向，以改进型自适应滤波器为研究路线，以电路影响因素作为算法性能影响变量，并以SIR 作为进一步的性能指标。该部分为SIC 技术研究中的最主要内容，但其也将受到其他域的影响，如若模拟域SIC 性能过强，则数字域SIC效果会出现明显下降的情况。考虑到该部分为SIC 过程的最后阶段，在当SIC 完成后，需保证通信系统顺利解调，因此可以通信系统误码率（BER,Bit Error Rate）为指标，为模拟域、数字域SIC 量的分配提供依据。

从空间域上看，目前主要集中于物理隔离、空间指向性、多路信号处理增益方面，可针对上述方向进行进一步研究，但考虑到上述手段对自干扰信号产生的影响，因此需以不影响（或较小程度影响）后续SIC 为前提，以最大程度降低直达自干扰为目标，研究空间域自干扰抑制技术。

3 结束语

本文针对目前IBFD-UWAC SIC 技术研究现状进行了简述，并基于研究现状、外场实验结果及系统电联调过程中发现的新问题，对IBFD-UWAC SIC 过程中现存的问题进行了总结与分析，提出了一定实用性的IBFDUWAC SIC 技术研究框架与思路。作为6G 潜在关键技术之一，IBFD 技术不仅可以应用于新一代通信技术中，还能够改变现有水下信息交互方式，极大地提升水下通信网络的综合性能。此外，6G 中的其他关键技术的研究内容与突破亦可为水下通信网络带来增益效果及新的思路，如统一的编译码架构，适用于IBFD-UWAC 系统的不同波形设计方案以及非正交多址接入技术等。