帶內全雙工無線通信系統及其寬帶光學自干擾消除系統的制作方法

本發明涉及微波光子學及無線通信技術領域，具體地，涉及帶內全雙工無線通信系統及其寬帶光學自干擾消除系統。

背景技術：

隨著第四代移動通信網絡的商用，各種新穎的無線多媒體業務不斷應用，用戶對無線通信系統傳輸速率和傳輸容量的需求急劇增加，更好地利用和拓展有限的頻譜資源接入成為亟待解決的問題。無線傳輸速率的提升需要提升頻譜效率、增大可用帶寬，或開發更高頻率的新頻段。而通過開發更高階調制格式提升頻譜效率會增加成本，且由于頻譜資源的緊張性，增大可用帶寬的成本也很高。為更高效地利用日益緊張的無線頻譜資源，下一代移動通信系統對帶內全雙工技術，即同時同頻全雙工技術提出了新的需求。與現有的頻分雙工(Frequency-Division Duplex，FDD)或者時分雙工(Time-Division Duplex，TDD)系統相比，帶內全雙工系統(In-Band Full-Duplex,IBFD)在同一個頻率信道上實現用戶之間的實時雙向通信，將頻譜利用率增加了一倍，可以實現大密度、高效率的網絡接入。

帶內全雙工無線通信系統將不需要FDD或TDD模式在頻域或時域上單獨分離上、下行信道，可以在同一時刻以相同的頻率進行無線信號的收發，實現實時雙向無線通信。由于帶內全雙工系統的發射天線與接收天線在物理位置上的接近，大功率的發射信號會被接收天線接收，對微弱功率的同頻段接收信號產生干擾，即同頻自干擾效應。自干擾效應會嚴重影響接收信號的質量，制約著帶內全雙工技術優勢的發揮，是全雙工通信發展的一大瓶頸技術。因此，實現帶內全雙工通信的首要問題就是對同頻自干擾進行消除。基于電子學方案的自干擾消除系統工作帶寬、工作頻段以及消除性能受電子元件性能限制。基于微波光子學的自干擾消除技術將光學技術的優勢應用到自干擾消除系統中，可以支持更高頻段的電信號在光域進行處理，從而實現自干擾消除系統對高頻段的擴展、在高傳輸帶寬下進行自干擾消除。現有基于光學方案的自干擾消除技術中，一般使用馬赫曾德爾調制器、電吸收調制器等寬帶調制器對電信號進行調制。利用光器件的性質從接收到的信號中減去自身系統的發射信號部分，得到微弱的有用接收信號。這一過程需要復制自身系統的發射信號，并對其進行反相、延時和衰減以盡量完全將接收信號中的自干擾部分減去。

經過現有文獻檢索發現，M.P.Chang等人在《IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTER(電氣和電子工程師協會微波和無線器件快報)》(Vol.23,No.2，2013)上發表了題為“Optical analog self-interference cancellation using electro-absorption modulators”的文章，提出了一種光學自干擾消除方案，針對寬帶帶內全雙工技術展開探索。該方案使用兩個電吸收調制激光器(EAM)以及一個平衡光電探測器(BPD)，利用平衡光電探測器兩路光電流相減的原理，將調制到光載波上的自干擾信號除去，并通過平衡光電探測器恢復出所需的電信號。這一方案探索了電吸收調制器與平衡光電探測器配合的自干擾消方案，獲得了相對電學方案較高頻段的自干擾信號消除，文獻中報告了900MHz頻段以及2.4GHz頻段的獲得40MHz帶寬約40dB的抑制比。該方案證明的工作頻段以及抑制帶寬等參數僅能適應現有的商用無線系統，沒有更好體現基于微波光子學的自干擾消除系統高頻段、寬帶寬的優勢。

又經檢索發現，Qi Zhou等人于2014年在《Optics Letters(光學快報)》(Vol.39,No.22，2014)上發表了題為“Wideband co-site interference cancellation based on hybrid electrical and optical techniques”的文章。該文章提出了基于光電混合的自干擾消除方案，該方案使用平衡-不平衡變換器(Balun)對復制的發射信號進行電學反相，使用了兩個電吸收調制激光器(EAM)以將電信號調制到光載波上，其中EAM 1調制接收到的有用信號以及噪聲，EAM 2調制前級Balun輸出的已反相的參考信號。調制好的信號分別經上下兩分支光路傳輸并耦合后，送入光電接收機PD中進行光電轉換。其中下分支光路對信號進行衰減和延時，以對準并消除上分支光路中的干擾信號。衰減和延遲都需要精確調整以獲得最大化的干擾抑制比。實驗獲得了220MHz帶寬內的45dB抑制比以及10MHz窄帶寬內57dB的抑制比，對于寬帶5.5GHz信號仍可獲得30dB的抑制比。該方案受限于Bulun的工作帶寬，不能將全雙工頻段拓展到更高頻。對于下一代無線通信系統而言，希望獲得更高頻段的頻譜資源用于帶內全雙工通信。

將光學自干擾消除系統配置到帶內全雙工無線通信系統中，尤其在需要較寬通帶頻段的場景中，光學自干擾消除系統將面臨復制的發射信號與經過無線信道傳輸的自干擾信號在頻域上無法匹配的問題，導致當某一個頻點附近幅度值與時延值匹配后，其他頻點處無法合適匹配，從而嚴重限制了自干擾消除帶寬，從而限制了帶內全雙工通信帶寬。本發明著重解決無線信道的頻響補償技術，以拓寬光學自干擾消除的工作帶寬。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種帶內全雙工無線通信系統及其寬帶光學自干擾消除系統。

根據本發明提供的帶內全雙工無線通信系統，包括：第一通信單元和第二通信單元，所述第一通信單元和第二通信單元中各自包含有發射天線和接收天線，用于實現實時雙向通信，并且在第一通信單元和第二通信單元中設置有寬帶光學自干擾消除系統，用于消除產生的自干擾信號。

優選地，所述第一通信單元包括：發射天線、接收天線、混頻器以及寬帶光學自干擾消除系統，基帶發送信號分成兩路，其中一路信號通過混頻器后由發射天線發出，另一路信號和接收天線接收的基帶發送信號一同進入寬帶光學自干擾消除系統進行減法處理，得到基帶接收信號。

優選地，所述第二通信單元包括：發射天線、接收天線、第一混頻器、低通濾波器、第二混頻器以及寬帶光學自干擾消除系統，基帶發送信號分成兩路，其中一路信號通過第一混頻器后由發射天線發出，另一路信號和接收天線接收的基帶發送信號一同進入寬帶光學自干擾消除系統進行減法處理后再依次通過第二混頻器、低通濾波器，輸出基帶接收信號。

優選地，所述寬帶光學自干擾消除系統包括：電吸收調制器、可調光衰減器、可調光延時線、平衡接收機以及預失真濾波器；具體地，以兩個電吸收調制器為基礎構建兩條光支路，分別記為第一路徑和第二路徑，其中：

所述第一路徑中僅設置有第一電吸收調制器EML1；接收天線將接收到的基帶發送信號經過第一電吸收調制器EML1后進入平衡接收機；

所述第二路徑中依次設置有：第二電吸收調制器EML2、可調光衰減器以及可調光延時線；基帶發送信號中的另一路信號依次經過預失真濾波器、第二電吸收調制器EML2、可調光衰減器以及可調光延時線后進入平衡接收機；

由第一路徑和第二路徑的輸出的兩路信號在光平衡接收機中進行光電信號的減法操作，實現自干擾信號的消除。

優選地，接收天線接收的信號包括：同一通信單元中發射天線發送的自干擾信號和對方通信單元發射天線發出的有用信號。

根據本發明提供的基于無線信道頻響補償的寬帶光學自干擾消除系統，包括：電吸收調制器、可調光衰減器、可調光延時線、平衡接收機以及預失真濾波器；具體地，以兩個電吸收調制器為基礎構建兩條光支路，分別記為第一路徑和第二路徑，其中：所述第一路徑中僅包括第一電吸收調制器EML1；第二路徑中依次包括：第二電吸收調制器EML2、可調光衰減器以及可調光延時線，且第一路徑和第二路徑的輸出信號在光平衡接收機中進行光電信號的減法操作，實現自干擾信號的消除。

優選地，還包括預失真濾波器，所述預失真濾波器設置在第二路徑中第二電吸收調制器EML2的前級位置，用于去除基帶發送信號中的低頻信號。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1、本發明提供的基于無線信道頻響補償的寬帶光學自干擾消除系統，能夠對寬帶自干擾信號進行消除，得到較好的抑制帶寬和抑制比，實現兩個通信用戶射頻信號在同一頻帶內同時傳輸，倍增頻譜效率。

2、本發明提供的基于無線信道頻響補償的寬帶光學自干擾消除系統，一定程度上能夠解決寬帶通信帶內全雙工系統中因無線信道不平坦造成的全雙工帶寬大幅下降的問題。

3、本發明提供的基于無線信道頻響補償的寬帶光學自干擾消除系統，設計的濾波器安置于基帶單元后級，即射頻調制之前；該設計可實現對基帶帶寬的透明化以及濾波器成本的降低。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明提供的基于無線信道頻響補償的寬帶自干擾消除系統及以其為核心的帶內全雙工通信系統示意圖；

圖2為本發明所針對的無線信道頻響不平坦問題展示圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

根據本發明提供的基于無線信道頻響補償的寬帶光學自干擾消除系統，包括：電吸收調制器、可調光衰減器、可調光延時線、平衡接收機以及預失真濾波器；具體地，以兩個電吸收調制器為基礎構建兩條光支路分別記為路徑1和路徑2，其中：所述路徑1僅包括一個電吸收調制器；路徑2依次包括：電吸收調制器、可調光衰減器以及可調光延時線，且路徑1和路徑2的輸出信號共同接入光平衡接收機的中進行光電信號的相減。

具體原理如下所述：

本發明的應用場景是帶內全雙工無線通信系統，附圖1是兩個通信單元(通信單元1和通信單元2)構建成的帶內全雙工系統簡要模型。兩個通信單元各自分別擁有一個發射天線(T_X)和一個接收天線(R_X)用于實時雙向通信。收發無線信號均位于同一頻帶。自干擾消除系統通過復制本地發射的信號，經幅度與相位匹配后與接收天線中接收的自干擾信號相減以獲得有用信號。寬帶通信中，因天線的幅度響應在頻域不平坦，而復制的本地信號是幅度響應平坦的，因而二者難以在寬帶上匹配從而獲得良好的消除效果。復制路和天線接收路的信道幅度響應如附圖2所示。二者僅在部分頻段內能夠獲得相對平坦的幅度響應。為解決這一困難，獲得寬帶自干擾消除，提出了在復制路基帶上增加一個預失真濾波器，用以補償天線幅度響應不平坦造成的寬帶失配。該系統具體工作原理如圖所述。

所研究的基于電吸收調制器(EML)的自干擾消除系統中，電吸收調制器EML1中調制的是接收天線收到的自干擾信號(記為V_SI(t))和對方發送來的有用信號(記為V_SOI(t))之和，電吸收調制器EML2中調制的是復制的發送信號，記為V_t(t)。則兩個EML的輸出光功率I₁和I₂分別表示為

I₁＝I₁₀T_v(V_b+V_SOI(t)+V_SI(t)). (1)

I₂＝I₂₀T_v(V_b+V_t(t)). (2)

式中：T_v為EML的吸收函數，即調制函數，I₁₀與I₂₀為兩個EML的初始光功率，V_b為EML的最佳偏置電壓點。

將式(1)與式(2)展開，得到

I₁＝I₁₀T_v(V_b+V_SOI(t)+AV_st(t)*h(t))

＝I₁₀T_v(V_b+V_SOI(t))+I₁₀T_v(V_b+AV_st(t)*h(t)). (3)

I₂＝I₂₀T_v(V_b+A'V_st(t)*h'(t)). (4)

式中：V_st(t)表示天線發送的信號，A與A'表示信號在傳輸過程中的幅度變化系數。h(t)表示從發射天線到本地接收天線之間無線信道的沖激響應，h'(t)表示預失真濾波器的沖激響應。經過自干擾消除系統后，平衡光電探測器后端獲取的電信號V_sr(t)可表示為：

當滿足下述條件

α₁I₁₀AT_v(V_b+V_st(t)*h(t))＝α₂I₂₀A'T_v(V_b+V_st(t-τ)*h'(t)), (6)

即

α₁I₁₀A＝α₂I₂₀A', (7)

S_t(ω)H(ω)＝S_t(ω)e^jωτH'(ω), (8)

H'(ω)＝H(ω)e^-jωτ, (9)

公式(5)即可化簡為

式中：α₁表示路徑1的光功率衰減值，α₂表示路徑2的光功率衰減值，*表示卷積運算，S_t(ω)表示自干擾信號的傅里葉運算，H'(ω)表示補償后的補償信號傳輸信道頻率響應，ω表示信道頻率響應自變量角頻率，表示光電探測器響應常數，τ表示路徑2上的可調光延時線控制時延。

公式(10)所表示的是自干擾信號完全消除，僅剩下所需的信號V_SOI(t)。而滿足公式(10)所需的條件是公式(7)和(9)。公式(7)可通過調節自干擾消除系統中路徑2上的可調光衰減器來實現。公式(9)則需探測無線信道的頻率響應H(ω)，并通過調節路徑2上的可調光延時線控制時延τ，以及修改預失真濾波器參數令其可補償無線信道的頻響H(ω)。此即本發明設計的基于無線信道頻響補償的寬帶自干擾消除系統工作原理。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本發明的實質內容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。