具有自适应接收功率降低的全双工无线电的制作方法

本发明涉及一种全双工无线电及相应方法。

背景技术：

为满足由于在移动设备中受欢迎的多媒体应用的不断增长的容量需求，许多方法已经被提出以提高现代无线系统的系统吞吐量。最有前途的方法之一是全双工无线电，因为它使用相同的频带同时发送和接收信号。

这种方法可以帮助减少传输的带宽占用，同时保持整体产生的传输速率不变。通过这种方法，相较于半双工无线电，双倍吞吐量的改善是可以实现的。因此，在现代无线通信研究中最具挑战性的研究前沿之一的是架构的设计和实现有效全双工通信的解决方案。

全双工无线电是能够同时在同一信道上发送和接收信号的装置。在无线电设备家族中最具吸引力和挑战性的解决方案是所谓的带内单天线全双工实施。在这种情况下，所述设备不仅可以在同一频带上同时发送和接收也可通过单天线同时发送和接收。这能够积极地影响设备的成本，从而不需要两个或者更多独立的电路和天线去实现全双工通信。

然而，由于实际硬件架构的局限性，一个非常严重的问题影响着带内单天线全双工无线电，即，所谓的自干扰(self-interference，si)。在实践中，自干扰是从设备的传送(transmit，tx)链到接收(receive，rx)链泄漏的发送信号的一部分，由于采用的环行器的非理想性，三输入/输出组件旨在将天线连接到两个链上。如果非托管，所述si能够不可逆转地损害无线电设备的性能。这是由于与输入信号的功率相比它的非常高的功率，由于无线传播引起的衰减，该输入信号以非常低的功率到达天线。因此，所需的信号因残余si受到损害，并且整体的吞吐量降低。事实上，产生的测量在所有可能的干扰强度中所需信号的强度的信干噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio，sinr)量是非常低的。在这个背景下，正确的解码不能够被执行除非si在不能被取消的前提下能够被显著减少。

事实上，带内单天线全双工无线电不能够避免在传输过程中从发射链到接收链的某信号泄露。这会引起影响接收信号的高水平的si的存在。目前，这仍然是一个非常具有挑战性的问题。在这个领域的研究仍然处于一个非常初级的阶段。

在图1中，描述了全双工无线电单元1的例子。传输单元3，也被称为传输链tx，连接到环行器5上，该环行器5连接到天线6和接收单元4，该接收单元4也被称为接收链rx。此外，所述传输单元3和所述接收单元4连接到干扰消除单元9，该干扰消除单元9由模拟干扰消除单元7和数字干扰消除单元8组成。

所述环行器5包括三个端口a、b和c。特别地，a是连接到所述tx链3的端口，b是连接到所述rx链4的端口，并且c是连接到所述天线6的端口。在实践中，所述环行器5在端口a和端口b之间提供有限的隔离，导致在所述tx链3和所述rx链4之间的干扰。所述tx射频信号(radiofrequency，rf)，即，x，通过端口a传输，将其路由到端口c以到达所述天线6。或者，接收到的信号，即，z，被从所述天线6传输通过端口c，并被路由到端口b。事实上，非理想的环行器不提供端口a和端口b之间的完全隔离。

因此，所述tx信号x的部分，即，f(x)，且f(x)≤|x|，从端口a泄漏到端口b，对接收到的信号产生干扰。假设热噪声的存在影响系统，通常存在于非理想电路中，我们可以将来自b的输出信号表达为

y＝f(x)+z+n

其中，n表示上述的热噪声，为所述陈述的简单起见添加到这里。

如前所述，此处描述的示例性的解决方案实现了两步si消除策略，其能够将所述si成分从y中去除。该目标是为了降低si的水平，这样它的功率低于或者等于所谓的本底噪声，该本底噪声是系统中所有噪声源和多余的信号的总和，前由n标记。如前所讨论的，这样设备中的si消除能力既依靠于所述设备的传输功率也依靠于所述本底噪声。在实践中，如果传输功率高，或者本底噪声低(或者所述两个事件的组合发生)，那么残留si将会在rx链中出现。

动态算法能够评估由所述模拟电路引起的失真并模拟存在于所述rx链4中的实际si。相应地，可编程模拟消除电路，在此称为模拟干扰消除单元7，被采用来完成它们。由数字干扰消除单元8执行的数字消除算法完成所述模拟以消除所述剩余si。这种方法被示出以提供大约110db的总共的消除。我们的结论是，当所述全双工的无线电的传输功率低于一定值时，si信号能够被完全消除。相反地，所述所需信号遭受残余si信号的影响。

一般而言，我们可以认为这是对于所述全双工无线电的有效性的限制。此外，从能耗和效率的角度来看，直接地消除高强度si信号降低了设备的能量效率，这是由于所述能量被浪费。因此，两个主要的问题能够被识别。一方面，上面所示的方法仍然遭受来自残余si的影响，并且就全双工无线电允许的传输功率而言有上限。另一方面，目前，没有基于全双工无线电的想法解决所述能源问题，该能源在发送/接收过程被浪费。

当所述全双工无线电同时发送和接收信号时，如果传输功率高于确保si消除的有效性的最高水平，则残余si降低接收到的信号的sinr，从而影响频谱和能量效率。以防尽管传输功率低于确保si消除的有效性的最大水平，全双工系统能够有效地去除si，并且达到预期的频谱和能量效率。因此，全双工无线电的功率和能量效率强烈地依赖于si消除的有效性，并因此依赖于传输功率。

技术实现要素：

相应地，本发明的目的是提供一种全双工无线电单元以及全双工无线电方法，其具有非常低的自干扰，同时允许高传输功率。

该目的由设备的权利要求1的特征和方法的权利要求10的特征所解决。从属权利要求包含进一步的发展。

根据本发明的第一方面，一种全双工无线电单元包括传输单元、天线、接收单元、环行器以及功率降低单元。所述传输单元配置为产生第一信号。所述环行器向所述天线提供来自所述传输单元的所述第一信号。所述天线配置为发送所述第一信号，并且同时使用相同的频率或频带接收第二信号。所述环行器配置为向所述功率降低单元提供第三信号，其中，所述第三信号包括所述第二信号和通过所述天线和所述环行器的所述第一信号产生的干扰。所述功率降低单元配置为配置为通过将所述第三信号乘以因子√ρ，降低所述第三信号的功率，其中，ρ介于0和1之间，从而产生第四信号。所述接收单元配置为接收所述第四信号。通过减小接收信号功率，从而有可能有效地减少自干扰。

根据第一方面的第一实施形式，所述全双工无线电单元包括配置为产生至少一个干扰消除信号并向所述接收单元提供至少一个干扰消除信号的干扰消除单元。所述接收单元配置为通过添加所述干扰消除信号到所述第四信号或者到通过所述接收单元从所述第四信号得到的中间信号，消除至少部分所述干扰。从而有可能进一步减少干扰。

根据第一方面的第二实施形式，所述功率降低单元配置为根据所述第一信号的传输功率确定和设置所述因子√ρ。因此，有可能最大化传输功率，同时保持最小的干扰。

根据本发明的第一方面的第一施形式的第一实施形式，所述功率降低单元配置为根据所述第一信号的传输功率和/或噪声水平和/或第三信号内的干扰水平确定和设置所述因子√ρ，从而达到所述第四信号的预设的目标信干噪比sinr。因此，达到特别高的传输功率和低的自干扰。

根据本发明的第一方面的第一实施形式的第二实施形式，所述功率降低单元配置为确定和设置所述因子√ρ以使得所述第四信号的信干噪比sinr高于所述第三信号的信噪干比。从而可以进一步减小自干扰。

根据本发明的第一方面的第三实施形式，所述功率降低单元包括配置为将所述第三信号分割为所述第四信号和第五信号的信号分割器。所述信号分割器配置为分割所述第三信号以使得所述第四信号是所述第三信号乘以√ρ并且所述第五信号是所述第三信号乘以√(1-ρ)。因此，进一步使用所述第五信号中的信号能量是可能的。

根据第一方面的第三实施形式的第一实施形式，所述功率降低单元包括配置为采收第五信号的至少部分能量的能量采收单元。因此，可以使用采收的能量对例如所述设备的电池充电。

根据本发明的第一方面的第三实施形式的第一实施形式的第一实施形式，所述能量采收单元配置为使用所述第五信号采收的能量至少部分地向所述全双工无线电单元供电。从而达到非常高的能源效率。

根据本发明的第一方面的第三实施形式的第一实施形式的第二实施形式，所述全双工无线电单元包括电池。所述能量采收单元配置为使用所述第五信号采收的能量向所述电池充电。因此，可以实现所述全双工无线电单元的特别高的能量效率。

根据本发明的第二方面，提供了一种全双工无线电传输和接收方法。所述方法包括产生第一信号，向天线提供所述第一信号，通过所述天线发送所述第一信号，并且通过所述天线使用与所述第一信号相同的频率或频带同时接收第二信号。此外，所述方法包括通过环行器提供第三信号，其中，所述第三信号包括所述第二信号和通过所述天线和所述环行器的所述第一信号产生的干扰。此外，所述方法包括通过将所述第三信号乘以因子√ρ，降低所述第三信号的功率，其中ρ介于0和1之间，从而产生第四信号并接收第四信号。因此，可以实现高传输功率和低自干扰。

根据第二方面的第一实施形式，所述全双工无线电方法包括产生至少一个干扰消除信号和通过添加所述干扰消除信号到所述第四信号或者到从所述第四信号得到的中间信号，消除至少部分干扰。因此，有可能进一步减少干扰。

根据第二方面的第二实施形式，根据所述第一信号的传输功率设置因子√ρ。因此，有可能在保持干扰最小化的同时增加传输功率。

根据本发明的第二方面的第一实施形式的第一实施形式，根据所述第一信号的传输功率和/或噪声水平和/或所述第三信号内的干扰水平设置所述因子√ρ。从而达到所述第四信号的预设的目标信干噪比。从而达到了特别高的传输功率和低的自干扰。

根据本发明的第二部分的第一实施形式的第二实施形式，所述因子√ρ使得所述第四信号的信干噪比sinr高于所述第三信号的信干噪比。因此可实现进一步减少自干扰。

根据本发明的第二方面的第三实施形式，将所述第三信号被分割为所述第四信号和第五信号。分割所述第三信号以使得所述第四信号是所述第三信号乘以√ρ并且所述第五信号是所述第三信号乘以√(1-ρ)。因此，有可能进一步使用第五信号中信号能量。

根据第二方面的第三实施形式的第一实施形式，采收所述第五信号的至少部分能量。因此，有可能使用采收的能量向例如所述设备的所述电池充电。

根据本发明的第二方面的第三实施形式的第一实施形式的第一实施形式，执行所述方法的全双工无线电单元使用第五信号的采收的能量至少部分地供电。从而达到非常高的能量效率。

根据本发明的第二方面的第三实施形式的第一实施形式的第二实施形式，执行所述方法的全双工无线电单元的电池通过使用采收的所述第五信号的能量充电。从而实现所述全双工无线电单元非常高的能量效率。

一般地，必须注意到，在本申请中所描述的所有设置、设备、元件、单元和方法等等都可以由软件或硬件元件或任何一种其组合实现。此外，所述设备可以是处理器，也可以包括处理器，其中在本申请中所描述的元件、单元和设备的功能可以在一个或多个处理器中实现。本申请中所描述的多种实体执行的所有步骤以及描述的多种实体执行的功能描述都意图表示相应实体配置为或被配置用于执行相应步骤和功能。即使在下面的描述或者具体实施方式中，由一般的实体执行的特定的功能或步骤未体现在对执行特定步骤或功能的实体的具体元件的描述中，本领域技术人员应当清楚的是，这些方法和功能能够在软件或者硬件元件或者任何一种其组合方面被实现。

附图说明

本发明在以下文将参照所包含的附图对本发明的实施例进行详细解释。其中：

图1在框图中示出了示例性全双工无线电单元；

图2在框图中示出了发明性的全双工无线单元的实施例；

图3在框图中示出了发明性的全双工无线电单元的实施例的细节；

图4在框图中示出了全双工无线电单元的第一实施例的实施例的进一步细节；

图5示出了用于在发明行的全双工无线电单元及全双工无线电传输和接收方法的不同实施例的因子ρ的不同设置；

图6在流程图中示出了发明性的全双工无线电传输和接收方法的第一实施例；以及

图7在流程图中示出了全双工无线电传输和接收方法的第二实施例。

具体实施方式

本发明中，我们提出了可以提高全双工无线电单元2的能源效率和输入传输的频谱效率的解决方案，输入传输也被称为上行链路。在实践中，我们提出了可以同时解决上述两个问题，合理的利用在rx链中存在的大量自干扰的解决方案。考虑到发射功率高于允许实现完整的si消除的值的情况，如图1所示的解决方案，不可能完全的除去si，因此整体产生的sinr将会更低，进而降低上行链路传输的吞吐量。因此，全双工无线电单元2将工作在发送功率的增加将增加可实现的下行链路速率但显著降低上行链路速率的制度。本发明针对这种情况，并补充了现有技术以提高所述全双工传输的能量效率，同时保证上行链路速率的良好性能。

首先，我们从图2到图4中展示了发明性的全双工无线电单元的实施例的构造和功能。图5示出了本发明实施例的性能增益。从图6到图7，描述了发明性的全双工无线电传输和接收方法的不同实施例。类似的，在不同附图中的实体和参考编号已省略。

图2中，描述了全双工无线电单元2。图2中的全双工无线电单元2的大部分与图1中的全双工无线电单元1相同。特别地，传输单元3、接收单元4、环行器5、天线6和干扰消除单元9(包括模拟干扰消除单元7和数字干扰消除单元8)是相同的。

此外，图2的全双工无线电单元2包括功率功率降低单元14，该功率降低单元14耦接在环行器5和接收单元4之间。特别地，功率降低单元14包括能量采收单元10和dc/dc转换器11。能量采收单元10耦接在环行器5和接收单元4之间。能量采收单元10的输出耦接到dc/dc转换器11上。

此外，全双工无线电单元2包括电池12，该电池12用于向全双工无线电单元供电。在这里省略了由电池向全双工无线电单元供电的能量线。电池12连接到dc/dc转换器11。

此外，全双工无线电单元2包括基带模块13，该基带模块13连接到功率降低单元14的能量采收单元10。

出于清晰的原因，这里省略了基带模块13的进一步连接。在实践中，基带模块13连接到能量采收单元10，因为其提供了有关适当分割因子ρ来实现目标信干噪比sinr的信息。

在操作期间，传输单元3产生基带信号，并随后将其调整为来自基带信号的第一rf信号20。第一信号20由环行器5传递给天线6并被发送。与此同时，第二信号21被天线6接收并传递给环行器5。在环行器5中，第三信号22由第二信号21和来自第一信号20的干扰产生。第三信号22被传递到功率降低单元14，特别地到能量采收单元10。能量采收单元10将第三信号22分割为第四信号23和第五信号24。如前所述，第四信号23被传递到接收单元4。第五信号24被传递到dc/dc转换器11并且被转换为可用能量。电池12使用由dc/dc转换器11提供的可用能量充电。使用此功率向全双工无线电单元2直接充电也是可能的。

能量采收单元10根据分割因子ρ将第三信号22分割为第四信号23和第五信号24。这种分割因子由基带模块13确定并且基于第一信号20的传输功率和/或噪声水平和/或第三信号23内的干扰水平被通信给能量采收单元10，从而达到第四信号23的目标信干噪比。特别地，设置因子ρ以使得第四信号的信干噪比高于第三信号的信噪比。因此，有可能使用干扰消除单元9消除第四信号23中的所有干扰。

为了能够满足系统的目标性要求，能量采收单元10通过自适应行为被有利地实现。相应地，基带模块13配置为向信号分割器提供自适应行为并且优化能量采收单元10的性能。为了了解这个特征的影响，我们把ρ的简单非自适应选择看作：

ρ＝0：来自环行器5的信号22全部被采收，信息速率被完全地抵消并且全双工无线电作在节能模式下工作。

ρ＝1：来自环行器5的信号22全部被用于解码信息。有用的传输的信息速率取决于全双工无线电的发射功率，其工作在传统的最先进的模式。

在实践中，上述例子是简单的界限，示出了就新的架构可以实现的频谱/能量效率而言的的两个极端。自然地，它们并不代表最令人关注的场景。事实上，基带模块13可以根据全双工无线电的传输功率和传输的目标性能改变功率分割因子ρ。从这个意义上讲，设备的制造商可以设置不同的操作策略以实现上行链路的频谱效率和全双工无线电的能源效率的动态水平。值得注意的是，与最先进的解决方案相比，传输功率对自干扰消除的有效性的影响总是较低的，只要ρ＜1，可忽略所采用的值ρ的选择。

事实上，基带模块13的采用使这种方法非常灵活。在实践中，它不依赖于特定的应用而起作用。这种方法能够被用在纯和混合全双工的情况下，即，忽略网络中的其它设备如何能够工作。这意味着这种方法适用于一些可能的应用，如，智能无线回程解决方案，d2d通信，m2m通信等等。

在图3中，示出了图2所示的实施例的细节。在这里，示出了全双工无线电单元2的子单元10的内部工作，其被称为能量采收单元10。子单元10包括信号分割器31和射频到dc转换器32。功率分配器31将进入的第三信号22分割成第四信号23和第五信号24。第五信号24由rf到dc转化器32转换为有用的能量。功率分配器31在可调的方式下制造，以使得因子√ρ能够被调整。

此外，rf到dc转换器32也可以有利地用于提供自适应输出电压，以使得对连接的电池优化充电，例如通过利用工作于不连续导电模式的不受管制的升降压电路转换器来实现恒定的输入电阻。总体来说，整个rf到dc转换的效率可以通过因子η来建模，其由dc-输出功率与rf-输入功率的比值所得到。

在图4中，示出了能量采收单元10的抽象版。这张图关注于能量采收单元10的输入和输出信号。该待信号采收对应于第五信号24，其功率与1-ρ成比。该信号被整流并且随后传给dc/dc转换器11，32。待解码信号对应于第四信号23具有与ρ成比的功率。然后这个信号23被传给接收单元4并且通过干扰消除单元9也被用于干扰消除。

因此，当全双工无线电同时传输和接收时信号时，且传输功率不高于确保自干扰消除的有效性的最大水平，全双工系统能够有效地去除si并达到预期的频谱和能量效率。尽管如此，传输功率高于保证si消除的有效性的最大水平，来自环行器的信号被分割为两部分，这样si的功率被减少以满足使用最先进技术的消除器的消除条件。功率和ρ成比的信号被馈送到译码器。频谱效率最大化的ρ能够被发现和采用。功率和1-ρ成比的信号被馈送到能量采收器。由此产生的节能全双工无线电单元2不受到作为最先进技术的设备的相同传输功率限制。实现了频谱和能量的效率的提高。

所提出的节能全双工无线电2的优点如下：

■节能全双工无线电能够处理译码器期间的任何传输功率而不引起多余si。

■由于能量采收单元10，一些浪费的能量能够被采收并被再利用，从而实现节能。值得注意的是，节能水平随着传输功率增加而增加。

■没有额外的功率消耗被需要去操作功率采收单元10，其可以是无源组件。

■就能量/频谱效率而言，ρ的适应性选择允许实现给定的目标性能。

■没有一个特定场景的要求是有效的并且可以在全双工和混合半/全双工场景中被操作。

■在未来网络的背景下，例如5g网络，节能全双工无线电为实施全双工d2d通信提供了有效的解决方案和全双工基于带内无线回程解决方案。

在图5中，示出了特定场景的示例性的性能增益。

■让全双工无线电单元2的传输功率为25dbm且本底噪声为-90dbm。图1示出了示例性的全双工无线电单元1，不能够提供有效的si消除，并且如果非托管，一些残余的si影响上行链路的频谱效率。

■假定rf到dc转换的效率为η＝0.5。

■未提出发明的传统的全双工无线电导致的频谱效率，即，确切地ρ＝1，是r＝1.4bps/hz。

图5中示出了对于ρ的不同的值时上行链路可实现的频谱效率。

可以清楚地看出：

1.ρ的选择显著地影响预期性能。

2.可以找到ρ的最优值，来最大化上行速率。特别的，如果我们定义pth为最大功率，该最大功率允许关于使用最先进技术的全双工实施的完美的si消除，并且ptot为全双工无线电的整体发射功率，那么分分割因子的最优值可以被求出如下：

3.关于图1的全双工无线电单元1的增益可以是显著的，即，在所考虑的例子中高达40％。

4.可忽略不计的能量，即，在所考虑的例子中20％以上的接收能量，能够被处理用于采收，和实现节能。

图6示出了发明性的方法的第一实施例。在第一步100中，第一信号被发送的同时第二信号被接收。在第二步101中，第三信号的功率包括第二信号和来自第一信号的干扰，通过将其乘以因子√ρ而被降低。由此产生第四信号。在第三步102中，功率降低的第四号被接收。

图7示出了发明性的方法的第二实施例。在第一步200中，第一信号被传输的同时第二信号被接收。与此同时，第三信号由接收的第二信号和干扰产生。在第二步201中，功率降低因子√ρ基于rf传输信号和/或噪声水平和/或第三信号的干扰水平被确定。在第三步202中，第三信号通过乘以√ρ被分成第四信号并且通过乘以√(1-ρ)被分成第五信号。在第四步203中，能量采收在第五信号上被执行。在第五步204中，功率降低的第四信号被接收。

关于该方法的实施细节还可参照关于该设备的先前论述。

本发明不限于示例。本示例性的实施例的特征能够用于任何组合。

本发明与各种实施例在此一起被描述。然而，本领域技术人员通过附图、公开及所附权利要求的学习，在实践所宣称的发明中，能够理解本公开的实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者其他单元可以实现在权利要求中列举的一些项的功能。仅凭在不同的从属权利要求中列举的某些措施的这一事实并不意味着这些措施的组合不能被有利的利用。计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，如光存储介质或者作为其他硬件的一部分一起提供的固体介质，但也可能通过其他形式被分配，如通过网络或其他有线或无线通信系统。