现代通信技术作业翻译

自干扰消除在5G和超5G中的应用

Steven Hong, Joel Brand, Jung Il Choi, Mayank Jain, Jeff Mehlman, Kumu Networks Sachin Katti, and Philip Levis, Kumu Networks and Stanford University

摘要：自干扰消除使得一个在无线网络设计中的长期的基本假设变得无效，这

个假设是无线电设备只能工作在同一频道的半双工模式下。实现真正的同频全双工，有效的加倍了频谱效率，SIC大大简化了频谱管理。它不但放弃了像TD-LTE 一样的过时的整个系统，而且使得未来的网络能够利用零散的频谱，这是一个将继续使5G网络恶化的紧迫的全球问题。自干扰消除提供了能够去补偿和维持5G 技术向密集的异构网络演化的潜力，并且能够被用在无线通信系统的多个方面，包括增加链路容量、频谱虚拟化、任意分割双工（ADD）、新的中继方案和增强的干扰协调。由于它的基本特点的价值，自干扰消除将会对5G网络和超5G有很大的影响。

引言

由于干扰的原因，无线电收发机在同样的频带下去接收和发射一般是并不可能的。(Andrea Goldsmith,无线通信【1】)

以上的引用获得了一个在无线系统设计中的长期的假设：无线电收发器不得不在同一频道下工作在半双工模式（例如，发送或者接收的，但不是同时发生）。最近的工作一直在试图否定这个假设。斯坦福【2-5】和莱斯【6】大学的研究者和几个其他在业界【7】和学术界【8,9】的组织都曾经提出多种多样的设计去建立同频全双工的无线电传播模式。如果可能，全双工会对网络部署有巨大的影响；例如，它能够使得蜂窝网的频谱效率加倍。今天LTE频分双工用了两个分离的信道，一个是上行信道和一个是下行信道，能够使得无线电传播实现全双工。在一个同频全双工系统情况下，一个单一的信道能够获得同样的性能，立即就会使值数十亿美元的频谱财产的价值加倍。

为什么全双工很难去实现呢？当一个无线电设备发射一个信号，这信号能量中的一些能够被它自己的接收器接收到。因为它是自己产生的，这些无用的自干扰能量比那些预期的接收信号强数十亿倍（100dB+）。试着在同一时间同一信道去发射和接收信号就相当于当扯着嗓子大喊时试着去听一个耳语。这是一个知名的并且未解决的问题；每一个无线电设备都曾经被设计成以一个给予的频率或者发射或者接受信号，绝不会同时都发生，来去避免自干扰。

考虑到自干扰使得半双工运作成为必要，如果无线电传播能够完全消除自干扰，未来的5G无线网络将会怎样变化？随着几个组织在真实环境下演示的生动的自干扰消除结果，业界和学术界都已经在自干扰消除(SIC) 方面取得巨大的进步。再加上对这个主题的知识体系的不断的扩展，一些人认为这是一个SIC性能什么时候将使得全双工变成事实的问题，而不是是否SIC性能将使得全双工变成事实的问题。虽然我们简短的回顾了SIC架构和性能上的最先进的技术，但这篇文章的目的不是去探讨自干扰的复杂的模型，也不是去评估不同消除技术的有效性，因为关于这两方面有很多写得好的文章。相反，我们的目的是去探索SIC的长期的和短期的影响，SIC在5G和超5G的有限的频谱资源内能够去支持未来的

数据损耗、无缝全球漫游、高通量服务和低延迟应用成本效率的要求。

SIC提供了能够去补偿和维持5G技术向密集的异构网络演化的潜力，并且能够被用在无线通信系统的多个方面，包括：

·增加链路容量：理论上，真实的全双工相对于传统的半双工使得链路容量加倍，因为可获得的频谱资源能够被充分的利用在时间和频率上。

·频谱虚拟化：全双工是两个信道被完全重叠的极端情况，但是SIC能够隔离任何一对发射和接收频率。本质上，它能够作为一个可以简化和减少支持多个分散频率成本的软件控制双工器，能够有效地使得无线电设备去利用零散的频谱。·任意分割双工（ADD）：SIC消除了TDD和FDD之间的区别。TDD是过时的，可被同频全双工取代，然而老的FDD大大受益于SIC的可配置性，成为自适应的和能够灵活的载波聚合。

·新的中继方案：在回程和接入中的频谱资源同步复用可能伴随着自干扰消除，使几乎瞬时重传和对于异构网络的高通量网络操作成为可能。

·增强的干扰协作：当传送数据能够减少空中接口的延迟和对于干扰协作技术的更严格的时间/相位同步，干扰协作技术例如协作多点（COMP）传输，同时接收反馈信息（例如，控制信道信号）。

实际上，即使当SIC性能足以使全双工无线成为可能，SIC在未来5G网络中的潜在应用和其他应用将取决于监管机构认可。监管机构认可包括标准的采用（例如，5G）也还有被监管机构所管理的频谱政策转变，这两个一起行动将使不同的角色（即，手机和基础设施的原始设备制造商，OEM）合作，允许各方充分利用网络效应和收益递增。

并不是所有的应用都需要修改标准；事实上，一些什么都不需要。自干扰是一种限制所有半双工系统性能的现象，并且SIC能够被立即利用去解决一些这样的问题。图1显示了不同的应用关于标准化需求方面怎样受到SIC不同程度的影响，并且你能够看到几个应用即使没有修改标准也能够大大地受益。在这篇论文中，我们评估SIC对不同应用的潜在影响作为这个向量函数，以在讨论那些需要5G标准的应用之前不需要修改标准的应用作为开始。我们以一个更广泛的观点完成SIC超5G蜂窝网络的应用的讨论。

我们首先讨论了一个SIC解决方案的总体架构来设计了这个过程，强调了性能和集成的驱动程序。然后我们开始应用，这些应用可以利用绝对没有任何改变或修改现有的标准或基础设施的SIC。在这些应用中，我们规定它们以在向前发展到能够被应用到手机端的那些应用之前的那些被应用到基础设施的应用作为开始。最后，我们从谈论SIC在5G中的长期的影响推断出监管机构认可的不同程度的影响，并且我们认为的什么将是推进标准和频谱政策被采用的转折点。

SIC架构：成本和集成驱动

为什么自干扰很难去消除？毕竟，发送者知道信号正在被发射，所以消除它应该实现起来很简单。实际上，这种抽象是不正确的：虽然无线电设备知道这些没被干扰的发射数字基带信号，一旦信号被转换为模拟信号和向上调制到正确的载波频率，发射的信号就会看起来十分不同于它的基带信号。在无线电发射链中的众多的模拟器件使得信号线性失真和非线性失真（例如，模拟电路将要创建立方和高阶分量的信号），增加它们自己的噪声（例如，功率放大器增加了发射噪声），是稍微不正确的（例如，一个震荡器调谐稍微偏离了2.45GHz）,或者在不同频率不同数量的延迟等等。实际上，发射信号是一个伴随着未知噪声的理想发射信号