全双工中继系统的能量效率优化设计文献综述

 2022-10-27 10:10

文献综述(或调研报告):

  1. 全双工与半双工

当今,从单输入单输出(SISO)发展到传统的多输入多输出(MIM0)系统是无线通信领域在本世纪的一次重大变革。多输入多输出(MIMO)系统使用带有几百个天线的天线阵列多用户操作(俗称“大规模MIMO”),是一种可以提供所有有吸引力的优势新兴技术,但规模比传统MIMO技更大。传统的多天线技术(一般为8根以内)已经与OFDM技术有效的结合并应用至JJ4G中。由于天线数目从单根变为多根,MIMO技术带来了较高的空间分集和增益,进而提高了系统的可靠性和频谱效率。无线通信需要支持更丰富的多媒体应用程序,例如未压缩的高清电视和高速视频下载。60 GHz频段,具有高达7 GHz极大的带宽,是一个很有前景的高速室内无线网络[1]。 但是,60GHz传输需要视距(LOS, line-of-sight)并且由于在高频段的固有缺点会受到重大的传播损失[2]。另外,在60 GHz网络上维护强大的净收入也是具有挑战性的。 在60 GHz的波长只有5毫米,链路很容易被障碍物阻挡,比如人体和家具。 使用中继器是一个扩展网络覆盖范围同时保持强大的连接的手段[3]。 常规继电器工作在半双工(HD)模式下,而全双工(FD)中继[4]是在在相同的频率和相同的时间接收和接收允许传输,可显着提高系统吞吐量,并备受众人关注。 然而,它遭受回路干扰并需要有效的自我干涉缓解[5]

近年来的研究结果表明,采用协作通信技术可以显著改善系统性能和扩大网络的覆盖范围,其基本思想是基于解码转发(Decode—and—forward,DF)和放大转发(Amplify-and-forward,AF)中继协议,系统中有一些用户在发送信号的同时可以作为中继转发从某一信源接收到的信号到相应的信宿一。因此,将中继技术与Massive MIMO技术组合,构成Massive MIMO中继协作技术,其将兼顾两者的优势,一方面,能进一步扩大网络的覆盖范围,另一方面还可以进一步提升频谱效率和能量效率,增强网络的健壮性。而我们要研究的则是AF系统下全双工(FD, full-duplex)和半双工(half-duplex)的EE。

在全双工系统中,双向通信是同时和同频进行的,即在同一频带同一时隙发送和接收信号。因此,半双工模式的频谱资源占用率是全双工系统的 2 倍,频谱利用率不高。除了能够改善频谱利用率,全双工通信系统还可以用来应用在多用户认知无线电领域,保证系统的可靠性。全双工通信允许同时在同一信道中发送和接收信号,如果其接收端的自干扰信号可以完全得到消除,信道的传输速率就有可能达到半双工通信的两倍。然而,实现全双工通信的关键难题是来自自身的发射信号造成的自干扰。一般而言,自干扰信号要比预期信号高几个数量级,因为预期信号比自干扰信号要传输更长的距离,在传输过程中也会存在损耗。

如上所述,自干扰是实现 FD 无线通信的主要问题,因为在相同频带内,发射信号与期望信号是叠加的。在实现自适应干扰消除时,具有挑战性的一点是,自适应滤波算法的选择。算法的各项参数不仅要正确而且必须恒定以保证消除的实现。

60GHz芯片通常比以更低的频率工作的芯片需要消耗更多的功率[6]。 因此,需要维护系统吞吐量高,同时限制能耗[7],这一急需引起了供应商和、公司和研究人员的广泛关注,例如IJOIN项目[8]和EARTH项目[9]。 能源效率(EE),定义为系统吞吐量到总功耗的比率 [7],是一个重要的衡量绿色通信解决方案。对60 GHz频段中继辅助室内无线网络的 EE的调查值得开展。 比较FD和HD的EE也很有趣。

具体来讲,全双工中继因为每两跳只需使用一个频道,它的频谱效率比半双工中继要高许多。然而,减少继电器自身干扰以呈现全双工可行至关重要。为此,分析一个广泛的多输入多输出(MIMO)减轻方案:自然隔离,时域抵消和空间抑制。取消减去重复的来自继电器输入的干扰信号,同时抑制保留空间接收和发射滤波。可以通过天线子集,零空间投影(即在正交子空间中接收和发射,或通过选择最小的本征模式进行重叠子空间联合传输和接收波束选择以支持更多空间术流)选择来实现空间抑制。另外,可以采用最小均方误差(MMSE,minimum mean square error)滤波来保持期望的信号质量,即取消固有的,以及组合时间和空间域处理可能比单独处理好。

  1. 自干扰消除技术

在各类论文期刊中,我们不难发现有许多自干扰消除技术。它们通常分为两种类型,即

主动抑制和被动消除。在这方面的早期研究工作主要采用主动干扰消除(也叫积极干扰消除法)技术和被动干扰抑制(也叫消极干扰消除)技术,以便减少自干扰信号电平。单一的消除方案可能不足以将 SI 信号降低到足够低,在各类论文期刊中建议采用级联消除的方案。因此,典型的全双工系统的通常采用被动消除技术和主动抑制技术相级联的方法来达到自干扰消除的效果。

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