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CN106209151A - 全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法 - Google Patents

全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法 Download PDF

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CN106209151A
CN106209151A CN201610551562.4A CN201610551562A CN106209151A CN 106209151 A CN106209151 A CN 106209151A CN 201610551562 A CN201610551562 A CN 201610551562A CN 106209151 A CN106209151 A CN 106209151A
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pilot
signal
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channel
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Shanghai Zhiliang Electronic Technology Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法，属于通信技术领域。该系统中，信号发送子系统根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；信号接收子系统则根据导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。从而能够利用专门的导频设计，实现自干扰消除，且导频图案具有伪随机特性，使无线信号不易被侦测，同时省去了现有技术导频设计中的同步序列，降低了导频开销、提升了信号功率，进一步降低信号被探测的风险，特别适用于全双工基站系统。且本发明的系统结构相对简单，实现成本低廉，本发明方法应用方式简便，应用范围也较为广泛。

Description

全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及无线信号处理技术领域，具体是指一种全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法。
背景技术
无线信号的接收子系统和发射子系统工作在相同时间和相同频率时，该系统称为全双工系统。全双工系统在解决频谱利用率方面，较传统的时分双工或频分双工，频谱利用率能够提升一倍。该系统在解决收发系统电磁兼容性问题方面，也较传统的空间收发隔离、收发分时隔离等具有设备尺寸小、无收发分时隔离引起的覆盖盲区等优势。
发送子系统对接收子系统的干扰是影响全双工系统性能的关键因素。近年来，随着技术进步，全双工系统已得到无线通信领域广泛关注、研究和验证，并成为第五代移动通信系统的关键技术之一，有望在2020年前得到商用。消除发送子系统对接收子系统的自干扰是全双工系统的关键。已有大量研究结果表明，自干扰可以通过方向性自干扰抑制技术[Everett E,Duarte M,Dick C,et al.Empowering full-duplex wirelesscommunication by exploiting directional diversity.In:Proceedings ofConference Record of the 45th Asilomar Conference on Signals,Systems andComputers,Pacific Grove,2011.2002–2006]、天线隔离技术[Duarte M,SabharwalA.Full-duplex wireless communications using off-the-shelf radios:feasibilityand first results.In:Proceedings of Conference Record of the 44th AsilomarConference on Signals,Systems and Computers,PacificGrove,2010.1558–1562]、射频模拟干扰消除技术、数字干扰消除技术[Suzuki H,Itoh K,Ebine Y,et al.A boosterconfiguration with adaptive reduction of transmitter-receiver antennacoupling for pager systems.In:Proceedings of IEEE VTC 50th VehicularTechnology Conference(VTC Fall),Amsterdam,1999.1516 1520]等，将自干扰强度抑制比背景噪声功率低3dB，从而对接收性能没有明显影响。其中，数字干扰消除技术因其实现简单、符合数字化趋势等优点而备受关注，成为全双工系统自干扰消除的必选技术。
数字干扰消除技术借助于精确的自干扰信道估计技术来实现数字域的自干扰消除。为了估计自干扰信道，接收机需要接收来自发射机的已知的导频符号，并借此估计信道特性。如何设计导频，对整个系统的性能至关重要。
导频设计主要包括下述几个方面：
1)帧结构，即导频符号与有用的数字信号的周期性排列关系；
2)导频图案，即导频符号在时域或频域排列的方式，有块状导频、梳状导频等；
3)导频功能，即估计信道特性、时频同步等；
4)导频序列，即导频符号上承载的符号序列，最常用的是具有横模零自相关的CAZAC序列；
5)导频功率，即导频符号平均功率与有用的数字信号的功率分配。
现有的全双工技术方面的公开文献均假设理想的信道估计，鲜有文献探讨全双工系统的导频设计，原因主要是因为目前全双工技术均应用在无线数据通信(如3GPP LTE系统，IEEEWLAN系统等)领域，可以重用现有系统的导频设计，其典型结构如图1所示。其主要特征如下：
1)帧结构：所有发送数据都成帧。每帧数据均由导频和数据子帧组成。
2)导频图案：对于块状导频设计，某个数据子帧的所有符号都将用于导频。对于梳状导频设计，每个数据子帧的部分符号用于导频，其他符号用于数据传输。
3)导频功能：同步序列用于发送和接收机的时域、甚至频域的同步，块状和梳状导频用于估计信道特性；
4)导频序列：同步序列和信道估计导频常为CAZAC序列；
5)导频功率：同步序列功率P1，信道估计导频功率P2，数据功率P3，通常P2>P1>P3，且可功率控制。
上述导频可以用于无线数据通信的全双工系统的信道状态信息估计和自干扰消除。然而，如图2所示，这些导频的设计目标主要还是为基站设备和其远端用户终端之间的通信的信道估计，而非基站设备本地发射机到接收机的自干扰消除。因此，这些导频的设计用于全双工系统的自干扰消除时不够优化。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种具有专门的导频设计，与远端终端之间通信相互独立，从而更适用于全双工基站系统，有效实现自干扰消除，同时提高信号功率，降低信号被探测的风险，且实现方式简便的全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法。
为了实现上述的目的，本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统具有如下构成：
该全双工自干扰消除无线信号收发系统包括信号发送子系统和信号接收子系统。
其中，所述的信号发送子系统包括：数字发射信号生成单元、数模转换器和发射天线。
数字发射信号生成单元用以根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；
数模转换器用以将所述的数字发射信号转换为模拟发射信号；
发射天线通过发射射频通道连接所述的数模转换器，用以发射所述的模拟发射信号；
所述的信号接收子系统则包括：接收天线、模数转换器和干扰消除单元。
接收天线用以接收模拟接收信号；
模数转换器通过接收射频通道连接所述的接收天线，用以将所述的模拟接收信号转换为数字接收信号；
干扰消除单元连接所述的模数转换器及所述的数字发射信号生成单元，用以根据所述的导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统中，所述的数字发射信号生成单元包括：脉冲发生器、伪随机噪声发生器和成帧处理器，其中，脉冲发生器用以生成所述的导频脉冲和数据脉冲；伪随机噪声发生用以生成伪随机噪声；成帧处理器用以根据导频设计及所述的伪随机噪声组合所述的导频脉冲和数据脉冲，并利用所述的伪随机噪声控制导频功率，形成由成帧数据组成的数字发射信号；所述的干扰消除单元包括：信道估计器和自干扰消除器。其中，信道估计器连接所述的模数转换器和伪随机噪声发生器，用以根据所述的伪随机噪声从所述的数字接收信号中提取导频脉冲，并估计所述导频脉冲的信道特性，及获取非导频脉冲的信道特性；自干扰消除器连接所述的信道估计器和脉冲发生器，用以根据所述的信道特性消除所述数字接收信号中的自干扰，获得所述的估计接收信号。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统中，所述的信道估计器利用最小均方误差方法估计导频脉冲的信道特性，通过插值方法获取非导频脉冲的信道特性，并根据所述的导频脉冲的信道特性及非导频脉冲的信道特性获得信号发送子系统信道特性。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统中，所述的自干扰消除器根据下式实现干扰消除，获得所述的估计接收信号，
y1-x1·H1
其中，y1为所述的估计接收信号，x1为所述的数字发射信号，H1为信号发送子系统信道特性。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统还包括数字域符号同步机制发生器，该数字域符号同步机制发生器分别连接所述的成帧处理器和信道估计器，用以存储所述的导频脉冲和数据脉冲的时序，实现信号发送子系统与信号接收子系统符号同步。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统中，所述的接收天线通过限幅器及所述的接收射频通道连接所述的模数转换器，所述的限幅器用以限制所述模拟接收信号的波幅。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统中，所述的数字发射信号的每一帧包括M个长度固定的子帧，每个所述的子帧包括K个脉冲，每帧包括Q个导频脉冲，每帧包括MK-Q个数据脉冲，所述数据脉冲的平均功率为所述的导频脉冲的平均功率为其中，P为峰值功率，T为脉冲周期，τ为脉宽，α为衰减因子。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统中，所述导频脉冲的导频图案为散射导频图案，相邻导频脉冲的间距为均值为K的伪随机数。
该全双工自干扰消除无线信号收发系统中，所述导频脉冲功率小于所述数据脉冲功率。
本发明还提供一种全双工自干扰消除无线信号收发方法，该方法包括以下步骤：
(1)数字发射信号生成单元根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；
(2)数模转换器将所述的数字发射信号转换为模拟发射信号；
(3)发射天线发射所述的模拟发射信号；
(4)接收天线接收模拟接收信号；
(5)模数转换器将所述的模拟接收信号转换为数字接收信号；以及
(6)干扰消除单元根据所述的导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。
该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述的数字发射信号生成单元包括：脉冲发生器、伪随机噪声发生器和成帧处理器，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)脉冲发生器生成所述的导频脉冲和数据脉冲；
(12)伪随机噪声发生器生成伪随机噪声；
(13)成帧处理器根据所述的导频设计及所述的伪随机噪声组合所述的导频脉冲和数据脉冲，并利用该伪随机噪声控制导频功率，形成由成帧数据组成的数字发射信号；
所述的干扰消除单元包括：信道估计器和自干扰消除器，所述的步骤(6)具体包括以下步骤：
(61)信道估计器根据所述的伪随机噪声从所述的数字接收信号中提取导频脉冲，并估计所述导频脉冲的信道特性，及获取非导频脉冲的信道特性；
(62)自干扰消除器根据所述的信道特性消除所述数字接收信号中的自干扰，获得所述的估计接收信号。
该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述的步骤(61)具体为：
所述的信道估计器利用最小均方误差方法估计导频脉冲的信道特性，通过插值方法获取非导频脉冲的信道特性，并根据所述的导频脉冲的信道特性及非导频脉冲的信道特性获得信号发送子系统信道特性。
该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述的步骤(62)具体为：
所述的自干扰消除器根据下式实现干扰消除，获得所述的估计接收信号，
y1-x1·H1
其中，y1为所述的估计接收信号，x1为所述的数字发射信号，H1为信号发送子系统信道特性。
该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述的数字发射信号的每一帧包括M个长度固定的子帧，每个所述的子帧包括K个脉冲，每帧包括Q个导频脉冲，每帧包括MK-Q个数据脉冲，所述数据脉冲的平均功率为所述的导频脉冲的平均功率为其中，P为峰值功率，T为脉冲周期，τ为脉宽，α为衰减因子。
该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述导频脉冲的导频图案为散射导频图案，相邻导频脉冲的间距为均值为K的伪随机数。
该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述导频脉冲功率小于所述数据脉冲功率。
采用了该发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法，其信号发送子系统的数字发射信号生成单元根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；信号接收子系统的干扰消除单元则根据导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。从而能够利用专门的导频设计，实现自干扰消除，且导频图案具有伪随机特性，使无线信号不易被侦测，同时省去了现有技术导频设计中的同步序列，降低了导频开销、提升了信号功率，进一步降低信号被探测的风险，特别适用于全双工基站系统。且本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统结构相对简单，实现成本低廉，本发明的全双工自干扰消除无线信号收发方法，应用方式简便，应用范围也较为广泛。
附图说明
图1为现有技术的全双工系统中的导频设计示意图。
图2为现有技术的全双工系统的数学模型。
图3本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统的一种实施方式的信号传输数学模型。
图4本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统的优选实施方式的信号传输数学模型。
图5为本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统的导频设计示意图。
图6为本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统的信号发送子系统生成的成帧数字发射信号的时序图。
图7为本发明的全双工自干扰消除无线信号收发方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
在一种实施方式中，如图3及图4所示，该全双工自干扰消除无线信号收发系统包括信号发送子系统和信号接收子系统。
其中，所述的信号发送子系统包括：数字发射信号生成单元、数模转换器和发射天线。
数字发射信号生成单元用以根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；
数模转换器用以将所述的数字发射信号转换为模拟发射信号；
发射天线通过发射射频通道连接所述的数模转换器，用以发射所述的模拟发射信号；
所述的信号接收子系统则包括：接收天线、模数转换器和干扰消除单元。
接收天线用以接收模拟接收信号；
模数转换器通过接收射频通道连接所述的接收天线，用以将所述的模拟接收信号转换为数字接收信号；
干扰消除单元连接所述的模数转换器及所述的数字发射信号生成单元，用以根据所述的导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。
本发明还提供一种全双工自干扰消除无线信号收发方法，该方法如图7所示，包括以下步骤：
(1)数字发射信号生成单元根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；
(2)数模转换器将所述的数字发射信号转换为模拟发射信号；
(3)发射天线发射所述的模拟发射信号；
(4)接收天线接收模拟接收信号；
(5)模数转换器将所述的模拟接收信号转换为数字接收信号；以及
(6)干扰消除单元根据所述的导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。
在较优选的实施方式中，所述的数字发射信号生成单元包括：脉冲发生器、伪随机噪声发生器和成帧处理器，其中，脉冲发生器用以生成所述的导频脉冲和数据脉冲；伪随机噪声发生用以生成伪随机噪声；成帧处理器用以根据导频设计及所述的伪随机噪声组合所述的导频脉冲和数据脉冲，并利用所述的伪随机噪声控制导频功率，形成由成帧数据组成的数字发射信号；所述的干扰消除单元包括：信道估计器和自干扰消除器。其中，信道估计器连接所述的模数转换器和伪随机噪声发生器，用以根据所述的伪随机噪声从所述的数字接收信号中提取导频脉冲，并估计所述导频脉冲的信道特性，及获取非导频脉冲的信道特性；自干扰消除器连接所述的信道估计器和脉冲发生器，用以根据所述的信道特性消除所述数字接收信号中的自干扰，获得所述的估计接收信号。
在利用上述较优选的实施方式所述的系统实现的全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)脉冲发生器生成所述的导频脉冲和数据脉冲；
(12)伪随机噪声发生器生成伪随机噪声；
(13)成帧处理器根据所述的导频设计及所述的伪随机噪声组合所述的导频脉冲和数据脉冲，并利用该伪随机噪声控制导频功率，形成由成帧数据组成的数字发射信号；
所述的步骤(6)具体包括以下步骤：
(61)信道估计器根据所述的伪随机噪声从所述的数字接收信号中提取导频脉冲，并估计所述导频脉冲的信道特性，及获取非导频脉冲的信道特性；
(62)自干扰消除器根据所述的信道特性消除所述数字接收信号中的自干扰，获得所述的估计接收信号。
在进一步优选的实施方式中，所述的信道估计器利用最小均方误差方法估计导频脉冲的信道特性，通过插值方法获取非导频脉冲的信道特性，并根据所述的导频脉冲的信道特性及非导频脉冲的信道特性获得信号发送子系统信道特性。
在利用上述进一步优选的实施方式所述的系统实现的该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述的步骤(61)具体为：
所述的信道估计器利用最小均方误差方法估计导频脉冲的信道特性，通过插值方法获取非导频脉冲的信道特性，并根据所述的导频脉冲的信道特性及非导频脉冲的信道特性获得信号发送子系统信道特性。
在更进一步优选的实施方式中，所述的自干扰消除器根据下式获得所述的估计接收信号，
y1-x1·H1＝s2·H2+n
其中，y1为所述的估计接收信号，x1为所述的数字发射信号，H1为信号发送子系统信道特性，s2为所述的模拟接收信号，H2为信号接收子系统信道特性，n为均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。
在利用上述更进一步优选的实施方式所述的系统实现的该全双工自干扰消除无线信号收发方法中，所述的步骤(62)具体为：
所述的自干扰消除器根据下式，
y1-x1·H1＝s2·H2+n
获得所述的估计接收信号，
在另一种进一步优选的实施方式中，该全双工自干扰消除无线信号收发系统还包括数字域符号同步机制发生器，该数字域符号同步机制发生器分别连接所述的成帧处理器和信道估计器，用以存储所述的导频脉冲和数据脉冲的时序，实现信号发送子系统与信号接收子系统符号同步。
在另一种更进一步优选的实施方式中，所述的接收天线通过限幅器及所述的接收射频通道连接所述的模数转换器，所述的限幅器用以限制所述模拟接收信号的波幅。
在一种更优选的实施方式中，所述的数字发射信号的每一帧包括M个长度固定的子帧，每个所述的子帧包括K个脉冲，每帧包括Q个导频脉冲，导频脉冲的间距为均值为K的伪随机数，每帧包括MK-Q个数据脉冲，所述数据脉冲的平均功率为所述的导频脉冲的平均功率为其中，P为峰值功率，T为脉冲周期，τ为脉宽，α为衰减因子。
在实际应用中，本发明的全双工自干扰消除系统的信号传输模型如图3所示。基站数字域发送信号x1(t)，经过传递函数为h1(t)的数模变换器(DAC)和传递函数为h2(t)的发送射频通道后，经天线和空中接口发送至远端终端系统。远端终端系统从天线和空中接口(传递函数为h6(t))到达基站接收天线，并经过传递函数分别为h4(t)的接收射频通道和h5(t)的模数变换器(ADC)后，作为接收信号在数字域进行接收处理。当系统工作在全双工状态时，基站发送信号与远端用户终端工作在相同时间、相同频率。因此，基站发送信号将对基站接收信号形成自干扰。假设该系统为单载波窄带系统(可直接推广到多载波或宽带系统)，则有：
y1(t)＝s2(t)·h6(t)·h4(t)·h5(t)+x1(t)·h1(t)·h2(t)·h3(t)·h4(t)·h5(t)+n(t) (式1)
其中，s2(t)·h6(t)·h4(t)·h5(t)为目标接收信号，x1(t)·h1(t)·h2(t)·h3(t)·h4(t)·h5(t)为自干扰，n(t)为均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。
通常情况下，s2(t)经过空中传播路径衰减后，到达接收天线的信号功率远低于发射信号对接收机的自干扰，因此接受信号干扰噪声比严重恶化，无法正确检测目标信号s2(t)。
实际系统设计时，基站接收链路将有限幅器件(传递函数为h7(t))，以免输入信号功率过大，烧毁接收链路。同时，引入模拟、射频域自干扰消除，对自干扰进行模拟、数字域联合消除，此时系统的信号传输数学模型如图4所示。此时，系统的信号传输模型为：
y1(t)＝s2(t)·h6(t)·h4(t)·h5(t)·h9(t)+x1(t)·h1(t)·h2(t)·(h3(t)-h8(t))·h4(t)·h5(t)·h9(t)+n(t) (式2)
考虑到，当收发天线链路经过校准后，其信道特性h2(t)和h4(t)是慢变的，则自干扰项x1(t)·h1(t)·h2(t)·(h3(t)-h8(t))·h4(t)·h5(t)·h9(t)是慢变的，是可以跟踪和消除的。在慢变周期内，上式传递函数可以合并且去掉时间变量。即：
y1＝s2·H2+x1·H1+n (式3)
其中，H2＝h6(t)·h4(t)·h5(t)·h9(t)，
H1＝h1(t)·h2(t)·(h3(t)-h8(t))·h4(t)·h5(t)·h9(t)。
导频设计的目的就是估计信道特性H1，并结合已知的x1进行干扰自消除，从而实现式4所示的无干扰检测，显著改善接收性能。即：
y1-x1·H1＝s2·H2+n (式4)
基于上述信号传输模型，本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统的导频设计如图5所示，具有以下特点：
1)帧结构：所有发送数据都成帧。每帧数据均由导频和数据子帧组成。但帧长通常远大于现有系统的帧长；
2)导频图案：导频图案为散射图案，且相邻的导频间距是以均值为K的伪随机数；
3)导频功能：导频只用于估计信道特性，无需同步序列，通过发射机和接收机的内置同步电路实现导频和数据符号的时序；
4)导频序列：信道估计导频可以为CAZAC序列、最小M序列等；
5)导频功率：导频功率为均值为λ、方差为Г2的伪随机幅度噪声。
在具体应用中，如图4所示的系统的工作原理如下：
1.使用图5所示的帧结构，并预定义下述参数：
a)帧长M，即每帧有M个子帧。该参数根据系统实现复杂度合理选择。帧长越大，性能越好，但实现复杂度越高。每个子帧固定长度，且有K个脉冲。因此，每帧总共有MK个脉冲。
b)导频脉冲数Q，即每帧有Q个导频脉冲。则数据脉冲数为MK-Q个。
2.产生基站数字发送信号。以矩形脉冲发生器产生矩形脉冲为例，其他连续波、三角波等信号同样适用。该脉冲同时可用于数据传输和导频符号。矩形脉冲的主要参数如下：
a)脉宽τ；
b)脉冲周期T；
c)对于数据脉冲，其峰值功率P，平均功率为P·τ/T；对于导频脉冲，引入衰减因子α作导频功率控制，即导频符号的平均功率为α·P·τ/T。该衰减因子为均值为0，方差为σ2的随机噪声，由伪随机噪声发生器控制，从而形成幅度近似高斯白噪声的伪随机特性。
3.在[1，MK]范围内产生Q个伪随机序列，记为[Idx(1)，Idx(2)，…，Idx(i)，…,Idx(Q)，其中1≤i≤Q，1≤Idx(i)≤MK]，并设置为导频脉冲位置；则每帧的剩余MK-Q个脉冲为数据脉冲。产生Q个平均功率为α·P·τ/T，方差为σ2的随机噪声，记为[P0(1)，P0(2)，…，P0(i)，…，P0(Q)]。数据脉冲的平均功率可以设定为恒定值P·τ/T。
4.按照图5所示的帧结构以及导频图案和功率组合导频脉冲和数据脉冲。
5.导频和数据脉冲序列如图6所示，序列的索引将存储在数字域符号同步机制发生器，用于接收处理链路与发送链路符号同步。
6.成帧的数据经DAC和射频处理后，通过发送天线发送出去。
7.接收天线接收到发送天线泄露过来的干扰以及来自远端终端系统发送来的信号后，首先经过限幅器，避免输入信号功率过大，破坏接收机链路。
8.接收信号经过接收链路射频通道处理和ADC后，在数字域符号同步机制发生器的辅助下，信道估计器将提取导频脉冲，并利用传统的诸如最小均方误差(MMSE)等准则估计导频脉冲上的信道特性；并通过诸如插值等方法获取非导频的数据符号位置的信道特性，即获得式3及式4中的H1。
9.干扰消除器获取脉冲发生器发送的数据符号脉冲和估计的H1，利用式4，将自干扰从接收信号中消除，从而以较好的信号质量估计接收信号。
对照图1的现有导频设计，本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统及方法所采用的导频设计具有以下优点：
1)导频图案具有伪随机特性，对于非协作基站和远程用户终端系统而言，具有很好的隐蔽性和不易被检测性；
2)无需同步序列，通过发射机和接收机的内置同步电路实现导频和数据符号的时序，去除了对干扰自抵消无益的同步序列，降低了导频开销、提升了信号功率，同时大大降低了被发现概率；
3)降低了对导频序列自相关特性的要求，改善了被检测的风险；
4)导频功率可以灵活配置，特别是可以配置较低的平均功率和随机的幅度噪声特性，提高了信号功率，降低了被检测的风险。
采用了该发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统及无线信号收发方法，其信号发送子系统的数字发射信号生成单元根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；信号接收子系统的干扰消除单元则根据导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。从而能够利用专门的导频设计，实现自干扰消除，且导频图案具有伪随机特性，使无线信号不易被侦测，同时省去了现有技术导频设计中的同步序列，降低了导频开销、提升了信号功率，进一步降低信号被探测的风险，特别适用于全双工基站系统。且本发明的全双工自干扰消除无线信号收发系统结构相对简单，实现成本低廉，本发明的全双工自干扰消除无线信号收发方法，应用方式简便，应用范围也较为广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (16)

1.一种全双工自干扰消除无线信号收发系统，其包括信号发送子系统和信号接收子系统，其特征在于，
所述的信号发送子系统包括：
数字发射信号生成单元，用以根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；
数模转换器，用以将所述的数字发射信号转换为模拟发射信号；以及
发射天线，通过发射射频通道连接所述的数模转换器，用以发射所述的模拟发射信号；
所述的信号接收子系统包括：
接收天线，用以接收模拟接收信号；
模数转换器，通过接收射频通道连接所述的接收天线，用以将所述的模拟接收信号转换为数字接收信号；以及
干扰消除单元，连接所述的模数转换器及所述的数字发射信号生成单元，用以根据所述的导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。
2.根据权利要求1所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，
所述的数字发射信号生成单元包括：
脉冲发生器，用以生成所述的导频脉冲和数据脉冲；
伪随机噪声发生器，用以生成伪随机噪声；以及
成帧处理器，用以根据导频设计及所述的伪随机噪声组合所述的导频脉冲和数据脉冲，并利用所述的伪随机噪声控制导频功率，形成由成帧数据组成的数字发射信号；
所述的干扰消除单元包括：
信道估计器，连接所述的模数转换器和伪随机噪声发生器，用以根据所述的伪随机噪声从所述的数字接收信号中提取导频脉冲，并估计所述导频脉冲的信道特性，及获取非导频脉冲的信道特性；以及
自干扰消除器，连接所述的信道估计器和脉冲发生器，用以根据所述的信道特性消除所述数字接收信号中的自干扰，获得所述的估计接收信号。
3.根据权利要求2所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，所述的信道估计器利用最小均方误差方法估计导频脉冲的信道特性，通过插值方法获取非导频脉冲的信道特性，并根据所述的导频脉冲的信道特性及非导频脉冲的信道特性获得信号发送子系统信道特性。
4.根据权利要求3所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，所述的自干扰消除器根据下式实现干扰消除，获得所述的估计接收信号，
y1-x1·H1
其中，y1为所述的估计接收信号，x1为所述的数字发射信号，H1为信号发送子系统信道特性。
5.根据权利要求2所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，该系统还包括：
数字域符号同步机制发生器，分别连接所述的成帧处理器和信道估计器，用以存储所述的导频脉冲和数据脉冲的时序，实现信号发送子系统与信号接收子系统符号同步。
6.根据权利要求5所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，所述的接收天线通过限幅器及所述的接收射频通道连接所述的模数转换器，所述的限幅器用以限制所述模拟接收信号的波幅。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，所述的数字发射信号的每一帧包括M个长度固定的子帧，每个所述的子帧包括K个脉冲，每帧包括Q个导频脉冲，每帧包括MK-Q个数据脉冲，所述数据脉冲的平均功率为所述的导频脉冲的平均功率为其中，P为峰值功率，T为脉冲周期，τ为脉宽，α为衰减因子。
8.根据权利要求7所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，所述导频脉冲的导频图案为散射导频图案，相邻导频脉冲的间距为均值为K的伪随机数。
9.根据权利要求7所述的全双工自干扰消除无线信号收发系统，其特征在于，所述导频脉冲功率小于所述数据脉冲功率。
10.一种全双工自干扰消除无线信号收发方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数字发射信号生成单元根据导频设计组合导频脉冲和数据脉冲，形成成帧的数字发射信号；
(2)数模转换器将所述的数字发射信号转换为模拟发射信号；
(3)发射天线发射所述的模拟发射信号；
(4)接收天线接收模拟接收信号；
(5)模数转换器将所述的模拟接收信号转换为数字接收信号；以及
(6)干扰消除单元根据所述的导频设计消除所述数字接收信号中的自干扰，获得估计接收信号。
11.根据权利要求10所述的全双工自干扰消除无线信号收发方法，其特征在于，
所述的数字发射信号生成单元包括：脉冲发生器、伪随机噪声发生器和成帧处理器，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)脉冲发生器生成所述的导频脉冲和数据脉冲；
(12)伪随机噪声发生器生成伪随机噪声；
(13)成帧处理器根据所述的导频设计及所述的伪随机噪声组合所述的导频脉冲和数据脉冲，并利用该伪随机噪声控制导频功率，形成由成帧数据组成的数字发射信号；
所述的干扰消除单元包括：信道估计器和自干扰消除器，所述的步骤(6)具体包括以下步骤：
(61)信道估计器根据所述的伪随机噪声从所述的数字接收信号中提取导频脉冲，并估计所述导频脉冲的信道特性，及获取非导频脉冲的信道特性；
(62)自干扰消除器根据所述的信道特性消除所述数字接收信号中的自干扰，获得所述的估计接收信号。
12.根据权利要求11所述的全双工自干扰消除无线信号收发方法，其特征在于，所述的步骤(61)具体为：
所述的信道估计器利用最小均方误差方法估计导频脉冲的信道特性，通过插值方法获取非导频脉冲的信道特性，并根据所述的导频脉冲的信道特性及非导频脉冲的信道特性获得信号发送子系统信道特性。
13.根据权利要求12所述的全双工自干扰消除无线信号收发方法，其特征在于，所述的步骤(62)具体为：
所述的自干扰消除器根据下式实现干扰消除，获得所述的估计接收信号，
y1-x1·H1
其中，y1为所述的估计接收信号，x1为所述的数字发射信号，H1为信号发送子系统信道特性。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的全双工自干扰消除无线信号收发方法，其特征在于，所述的数字发射信号的每一帧包括M个长度固定的子帧，每个所述的子帧包括K个脉冲，每帧包括Q个导频脉冲，每帧包括MK-Q个数据脉冲，所述数据脉冲的平均功率为所述的导频脉冲的平均功率为其中，P为峰值功率，T为脉冲周期，τ为脉宽，α为衰减因子。
15.根据权利要求14所述的全双工自干扰消除无线信号收发方法，其特征在于，所述导频脉冲的导频图案为散射导频图案，相邻导频脉冲的间距为均值为K的伪随机数。
16.根据权利要求7所述的全双工自干扰消除无线信号收发方法，其特征在于，所述导频脉冲功率小于所述数据脉冲功率。
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