用于全双工通信中自干扰的数字消除的系统和方法与流程

本申请要求享有于2014年8月20日提交的申请号为14/464,117、名称为“用于全双工通信中自干扰的数字消除的系统和方法”的美国专利申请的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，并且在具体实施例中，涉及用于全双工通信中自干扰的数字消除的系统和方法。

背景技术：

在无线通信中，理想的是从同一个天线或相同的多个天线进行发射和接收。如果发射和接收同时发生在同一无线信道上，可以实现更高的效率，这也称为同一信道上的全双工。同时进行发射和接收可能引起无线网络组件处显著的自干扰。通常，将这种自干扰降低到可接受的水平需要准确的估计和相应的对这种干扰的消除。也可能需要多个消除阶段(stage)，例如包括模拟和数字阶段，以有效地减少自干扰，这对发射机/接收机系统增加了复杂度。需要一种用于全双工系统中的自干扰的有效且相对容易实现的消除方案。

技术实现要素：

根据本公开的一个实施例，一种由全双工通信设备执行的方法包括：对接收信号进行采样，以获得与所述接收信号对应的接收数字信号。所述方法还包括：对发射信号进行采样，以获得与所述发射信号对应的发射数字信号。然后根据所述发送数字信号和所述接收数字信号，估计所述接收信号中的引入自干扰的信道失真。所述方法还包括：根据所述估计的信道失真，估计所述接收数字信号中的自干扰。

根据本公开的另一个实施例，一种由全双工通信设备实施的方法包括：对来自所述全双工通信设备的发射信号进行采样，以及对所述全双工通信设备处的接收信号进行采样。然后根据所述采样的发射信号、所述采样的接收信号以及将所述接收信号关联到所述发射信号和信道特性的模型，估计自干扰的所述信道特性。所述方法还包括：根据所述估计的信道特性，估计所述接收信号中的所述自干扰。

根据本公开的又一实施例，一种用于全双工通信的通信设备包括：被配置成发射第一信号的发射机链、被配置成接收第二信号的接收机以及耦合到所述发射机链和所述接收机的天线。所述设备还包括：无源模拟消除电路，位于所述发射机链、所述接收机和所述天线之间，并且被配置成抑制来自所述无源模拟消除电路和所述接收机之间的接收路径的所述第一信号。此外，所述设备还包括：数字消除电路，耦合到所述接收机和所述发射机链，并且被配置成：对所述第一信号和所述第二信号进行采样，并且根据所述采样的第一信号和所述通信设备内部的失真信道的估计来估计所述采样的第二信号中的自干扰。

上述内容已相当广泛地概述了本发明的一个实施例的特征，以便可以更好地理解下文中的本发明的详细描述。以下将描述本发明实施例的附加的特征和优点，其形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，可以容易地利用所公开的概念和特定实施例作为基础，修改或设计其它结构或过程，用于执行出于与本发明相同的目的。本领域技术人员还应当理解，这种等效构造并不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1示出了用于消除自干扰的全双工系统的一个实施例；

图2示出了用于消除自干扰的全双工系统的另一个实施例；

图3示出了用于全双工系统中自干扰消除的方法的一个实施例；以及

图4示出了可以用于实施各种实施例的处理系统。

不同附图中对应的标号和符号通常指代相对应的部件，除非另有说明。附图被绘制成清楚地说明实施例的相关方面，其不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论目前优选的实施例的形成和使用。然而，应当理解，本发明提供可在各种各样的具体背景下实现的许多适用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅仅是说明形成和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

在全双工传输中，使用通信设备的共同的天线在相同的频率信道同时发射和接收信号。这样，所发射的信号的一部分可被反射到接收机，造成与所检测到的信号的干扰。这称为自干扰。为了以足够的精度接收并检测信号，需要干扰消除方案。合适且有效的实现方式包括多个消除阶段，例如模拟和数字消除。本文中提供了用于消除全双工通信中的自干扰的实施例。所述消除包括在全双工发射机/接收机设备中除了使用模拟消除之外还使用数字消除阶段。

图1示出了用于消除自干扰的全双工系统100的一个实施例。系统100可对应于具有全双工能力的任何无线通信设备或网络组件，如网络的无线节点或用户设备。系统100包括主发射链，其包括如图所示布置的基带发射机(Tx)102、主Tx 104、无源隔离或消除电路110以及天线130。无源隔离电路110通过在来自发射机104的发射信号和经由相同的天线130的接收信号之间提供一定程度的分离，实现无源模拟消除。

系统100还包括用于运用有源模拟消除阶段的次级接收和发射链。这个阶段是可选的阶段，并且在另一实施例中可以移除。所述次级接收和发射链包括如图所示布置的次级接收机(Rx)120、次级Tx 124和信道估计电路122。所述次级链对来自无源隔离电路110的接收信号进行采样。已知来自主Tx 104的发射信号，信道估计电路122估计自干扰的信道特性。一旦估计出所述信道特性，估计所述自干扰并随后将其从所述接收信号中减去。

系统100还包括在有源模拟消除之后处理所述接收信号的主接收链。该主接收链包括接收所述接收信号的主Rx 108以及使用已知的发射信号估计存在于所述接收信号中的任何残余自干扰的数字消除模块106。在这个数字消除阶段，可以在检测所述接收信号之前缓冲信号样本。

在系统100中，发射信号可能多次从天线130被反射。例如，由于隔离器发送端口和随后的布线之间的阻抗失配，该信号反射可能在无源消除电路110内部。由于来自天线130的反射，例如由于阻抗失配，可能存在次级反射。由于系统100的本地环境，也可能存在额外的反射，其在本文中称为本地多径。预期的是，电路110和天线130的内部反射基本上比本地多径的额外反射更强。电路110处的无源消除可以被设计成将较强反射减少到与本地多径的反射有可比性的程度。次级接收和发射链的有源模拟消除阶段可以被设计成估计该多径信道并且重新创建由于多径的反射而导致的残余干扰。

由于该多路径信道估计的时间和复杂度的约束，去除所有的残余干扰是困难的。然而，有源模拟消除阶段可以将自干扰减少到能够由主Rx 108进行数字采样而不失真的水平。这样，主接收链的数字消除可去除剩余自干扰的主要部分，导致检测到的信号中的残余干扰可忽略不计。此外，通过缓冲接收到的信号样本，数字消除不受到与有源模拟消除相同的时间约束。

为了分析全双工系统100的信号，发射信号在基线的复基带可以表示为r(t)。自干扰可作为多径信号表示为

其中，有N条分别具有复增益g_i和延迟τ₁的反射路径。有源模拟消除将这种自干扰估计为

其中，T是基带采样周期，劫是复增益，M控制脉冲响应长度(和复杂度)。有源模拟消除后的残余自干扰被确定为不管方程(2)的估计有多差，残余干扰w(t)仍然是发射信号r(t)的线性函数。

使用离散时间的方式，数字处理模块106中的残余自干扰表示为

为了保持复杂度可管理，分析假定采样周期T不从有源消除阶段的采样发生变化。然而，信道的有限脉冲响应模型中的抽头数可以从M改变为M′。给定接收信号w(t)的N个T间隔样本的块，以及发射信号r(t)，数据矩阵被定义为

以及，

综上，线性系统的自干扰表示为

w＝Rh+n， (6)

其中，n表示噪声。用于信道估计h的最小平方误差(MSE)方案定义为

该MSE方案可以使用任何合适的方法，如用Matlab的pinv()函数来计算或算出。

在有源模拟消除中，信道估计及其应用之间的时间延迟可能会导致性能下降，其中所述信道可以是随时间缓慢变化的，例如在具有缓慢变化的环境的衰落信道或其他情形中。有源模拟消除的第二个问题是复杂度。此外，系统100中的次级链可能会引入失真。然而，由于这种失真是线性的，它们可以是由数字消除阶段估计的信道的一部分。该数字消除阶段的复杂度作为改善处理延迟的折衷是可以接受的。

一旦获得干扰的数字表示，可实现数字域消除。数字域处理是有利的，因为它不受模拟信号的实时延迟的影响。该信号可以被缓冲，以确保估计和消除在时间上是对准的。不同阶段的模拟和数字处理/消除可以是线性的。因此，即使例如使用时延信道估计，已经引入了一些失真，所述失真是线性的并且仍然可以被线性地校正。根据此观察，重复进行信道估计和消除信号的相应计算，作为接收信号中的残余干扰的数字消除的第一步。重复该操作允许避免估计和经由缓冲的应用之间的时间延迟。

图2示出了用于消除自干扰的全双工系统200的另一个实施例。系统200可对应于具有全双工能力的任何无线通信设备或网络组件，如网络的无线节点或用户设备。系统200包括如图所示布置的基带Tx 202、发射链204、隔离电路210、天线230、接收机208、模拟数字转换器(ADC)209和数字消除单元206。上述组件被配置成类似于系统100中的各组件。除了隔离电路210之外，系统200可以包括或可以不包括隔离电路210和接收机208之间的一个或多个附加的消除阶段250。例如，一个(或多个)消除阶段250可以类似于系统100中的次级接收和发射链。

基带Tx 202和发射链204分别形成发射信号的基带和射频(radio frequency，RF)部分。发射信号被馈送到天线230，用于由隔离电路210进行传输。隔离电路210分离所述发射和来自天线230的接收信号。隔离电路210可以是RF环行器，但也可能是其他实现方式。所述RF环行器抑制来自接收信号路径的发射信号，但是这种抑制是不完美的，接收路径上还可以存在自干扰形式的显著的发射能量。隔离电路210是干扰消除阶段的一个阶段，还可以添加一个或多个附加阶段250，以进一步从接收信号中去除自干扰。

自干扰可以包括来自天线230和来自隔离电路210的发射信号的反射，并因此表示发射信号的失真版本。可能存在由一个或多个干扰消除阶段250引入的其他失真。数字消除单元206被配置成对这些失真，此处也称为信道，进行数字估计，并对原始数字采样信号进行信道估计，以创建数字消除信号。具体地，由ADC 209将信号转换成数字的之后，数字消除单元206使用已知的基带样本和原始发射信号，对接收机208处的接收信号中剩余的自干扰进行采样。然后，将数字消除信号施加于接收信号，以检测自干扰消除后的信号。因此，最终检测到的信号不包含或包含可忽略不计的剩余干扰，这可以被认为是信号中的噪声的一部分。

图3示出了用于如系统100或200的全双工系统的自干扰消除方法300的一个实施例。在步骤310，接收机对来自发射机的原始发射信号进行采样(作为数字信号)。在步骤320，接收机(在数字消除模块106或数字消除单元206)对接收机处的接收信号进行采样。在步骤330，根据采样的发射信号、采样的接收信号以及与这两个信号和信道特性相关的模型来估计信道失真特性。例如，原始发射信号的样本块表示为x＝{x₀，x₁，...，x_N-1}，并且相应的被采样的接收信号的块表示为y＝{y₀，y₁，y₂，...y_N-1}。块x对接收机来说是已知的。信道估计的模型是y＝Xh+n，其中h是失真信道函数，并且是从x得到的数据矩阵。

X的定义中n的值可以是0，并且对于k＜0，x_k是零，或者它可以是任何小于N-M的正整数。通常，N＞M，并且信道模型是超定线性系统(over-determined linear system)。可以使用各种方法求解h。不同的方法可能比其他例如取决于h的维度M的方法更好，该h的维度M影响信道估计的精度和实施的复杂度。在步骤340，使用估计的信道特性h估计接收信号中的自干扰。这可表示为其中是自干扰。在步骤350，从接收信号中去除所估计的自干扰，以获得(具有基本上较少的自干扰的)更精确的信号用于进行检测。这可以通过从采样的接收数字信号中减去估计的自干扰来实现：其中r表示数字检测信号。

图4是可用于实现各个实施例的示例性处理系统400的框图。例如，所述处理系统可以是全双工系统或无线通信组件的一部分，诸如全双工系统100或200的一部分。处理系统400可包括处理单元401，其配备有一个或多个输入/输出设备，诸如扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、小键盘、键盘、打印机、显示器等。处理单元401可包括中央处理单元(central processing unit，CPU)410、存储器420、大容量存储装置430、视频适配器440和连接到总线的输入/输出(input/output，I/O)接口490。该总线可以是几种总线结构的任何类型的一个或多个，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、视频总线等。

CPU 410可以包括任何类型的电子数据处理器。存储器420可以包括任何类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)、同步DRAM(synchronous DRAM，SDRAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)及其组合等。在一个实施例中，存储器420可以包括用于在启动时使用的ROM，和用于在执行程序时使用的存储程序和数据的DRAM。数据处理单元和存储器的组合可以在现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)或专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)中实现。大容量存储设备430可以包括任何类型的存储设备，其被配置成存储数据、程序和其他信息并使得数据、程序和其他信息可通过总线访问。大容量存储设备430可以包括例如一个或多个固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器等。

视频适配器440和I/O接口490提供将外部输入和输出设备耦合到处理单元的接口。如图所示，输入和输出设备的示例包括耦合到视频适配器440的显示器460和耦合到I/O接口490的鼠标/键盘/打印机470的任何组合。视频接口可以用于监测系统的性能。其它设备可耦合到处理单元401，并且可以使用更多或更少的接口卡。例如，串行接口卡(未示出)可用来提供用于打印机的串行接口。

处理单元401还包括一个或多个网络接口450，其可以包括有线链路，例如以太网电缆等，和/或无线链路，以访问节点或一个或多个网络480。网络接口450允许处理单元401经由网络480与远程单元进行通信。例如，网络接口450可以经由一个或多个发射机/发射天线和一个或多个接收机/接收天线提供无线通信。在一个实施例中，处理单元401耦合到局域网或广域网，用于数据处理以及与远程设备，如其它处理单元、互联网、远程存储设备等进行通信。

虽然本发明中已经提供了一些实施例，但是应当理解，所公开的系统和方法可能以许多其它具体的形式实现而不脱离本发明的精神或范围。本发明的示例应被认为是示例性的而不是限制性的，并非旨在限制于本文所给出的细节。例如，各种元件或组件可以结合或集成在另一系统中，或者某些特征可以省略或不实施。

此外，在各种实施例中描述和示出为分离的或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法结合或集成，而不脱离本发明的范围。示出或讨论为彼此耦合或直接耦合或连通的其他物体可以电气地、机械地或以其他方式间接连接，或通过一些接口、设备或中间组件连通。在不脱离本文公开的精神和范围的前提下，本领域技术人员能够确定出其他改变、替换和变更的示例。