同时同频全双工自干扰信道测量与特征分析

摘要

同时同频全双工技术以其倍增频谱利用率的能力得到业界的广泛关注。目前，阻碍同时同频全双工技术应用的首要问题是自干扰抑制。全双工自干扰的抑制必须要知道全双工自干扰信道特性。为了能在接收机中最优化的抑制自干扰信号，必须首先知道“自干扰信道”的冲激响应及其统计特征。
　　为此本文在2.50GHz~2.70GHz频段，基于频域测试方法，研究静态场景同时同频全双工自干扰信道测量与建模。
　　首先，在办公室、走廊与屏蔽室三种室内场景中，对收发天线分离同时同频全双工自干扰信道进行测量与分析：
　　(1)自干扰信道路径传输损耗。在办公室场景中，路径传输损耗服从断点模型，天线间距小于1.0m的路径传输损耗指数为1.52，天线间距在1.0m~8.1m内路径传输损耗指数为1.86。在走廊场景中，天线间距在0.1m~1.0m内路径传输损耗系数为0.94。在屏蔽室场景中，天线间距在0.1~1.0m内路径传输损耗系数为0.52。
　　(2)自干扰信道时延功率谱。在办公室、走廊与屏蔽室三种室内场景中，时延功率谱主要由直射分量与空间散射分量两部分组成。其中直射分量随着天线间距增加呈幂指数衰减，衰减指数在这三种场景中分别为1.68、0.82、1.00。另外，空间散射分量的散射径的功率与到达时间基本上呈幂指数衰减的关系，衰减指数(不同天线间距下的平均值)在这三种场景的分别为：4.36、3.19、1.56。
　　(3)自干扰信道的均方根时延扩展。在办公室场景中，天线间距大于1.0m时的均方根时延扩展服从对数正态分布，天线间距小于1.0m时，均方根时延扩展在不同的天线间距下服从对数正态分布，并且其分布的均值与标准差与天线间距呈现线性关系。在走廊场景中，均方根时延扩展与天线间距之间呈幂指数关系，并且在不同天线间距下RMS时延扩展服从对数正态分布。在屏蔽室场景中，不同天线间距下均方根时延扩展服从对数正态分布。
　　(4)自干扰信道的相关带宽。在走廊场景中，不同天线间距的相关带宽服从威布尔分布。在屏蔽室场景中，不同天线间距的相关带宽服从对数正态分布分布。
　　(5)自干扰信道的莱斯K因子。办公室场景与走廊场景的莱斯K因子服从威布尔分布；屏蔽室场景的莱斯K因子服从对数正态分布。
　　其次，在办公室、走廊与屏蔽室三种室内场景下，对共用收发天线同时同频全双工自干扰信道进行测量与分析：
　　(1)自干扰信道路径传输损耗。在这三种场景中，路径传输损耗均服从对数正态分布。
　　(2)自干扰信道时延功率谱。在办公室、走廊与屏蔽室场景中，自干扰信道的时延功率谱主要由三部分组成：环形器泄露分量，天线反射分量，空间散射分量。然后对环形器泄露分量、天线反射分量的成因进行理论分析并试验验证。另外，在空间散射分量中，散射径的功率与到达时间基本上呈幂指数衰减的关系。当馈线长度为0m，天线高度为1.7m时，这三种场景散射径的功率与到达时间之间衰减指数分别为：4.34、4.42、1.56。
　　(3)自干扰信道的均方根时延扩展。在这三种室内场景中，自干扰信道的均方根时延扩展均服从对数正态分布。从理论上讨论了均方根时延扩展与馈线长度的关系，并对理论结果进行试验验证。
　　(4)自干扰信道的相干带宽。在这三种室内场景中，自干扰信道的相关带宽服从正态分布。
　　然后，在大楼墙外侧、楼顶与广场三种室外场景中，对收发天线分离同时同频全双工自干扰信道进行测量与分析：
　　(1)自干扰信道路径传输损耗。在这三种室外场景中，收发天线分离同时同频全双工自干扰信道的路径传输损耗服从对数衰减，其损耗系数分别为1.04、1.08、1.07。
　　(2)自干扰信道时延功率谱。在大楼墙外侧、楼顶与广场场景三种室外场景中，时延功率谱主要由直射分量与空间散射分量两部分组成。其中直射分量随着天线间距增加呈幂指数衰减，衰减指数分别为0.80、0.90、0.93。空间散射分量的散射径的功率与到达时间基本上呈幂指数的关系，这三种场景的衰减指数（不同天线间距下的平均值）分别为：4.73、3.31、2.71。
　　(3)自干扰信道的均方根时延扩展。在这三种室外场景中，均方根时延扩展与天线间距之间呈幂指数关系；在不同天线间距下，大楼墙外侧与楼顶场景的均方根时延扩展服从对数正态分布，广场场景的均方根时延扩展服从极值分布。
　　(4)自干扰信道的相干带宽。在这三种场景中，不同天线间距的相关带宽服从威布尔分布。
　　(5)自干扰信道的莱斯 K因子。在不同天线间距下，大楼墙外侧与楼顶场景的莱斯K因子服从威布尔分布，广场场景的莱斯K因子服从正态分布。
　　最后，在大楼墙外侧、楼顶与广场三种室外场景中，对共用收发天线同时同频全双工自干扰信道进行测量与分析：
　　(1)自干扰信道路径传输损耗。在这三种室外场景中，自干扰信道的路径传输损耗均服从对数正态分布。
　　(2)自干扰信道时延功率谱。在大楼墙外侧、楼顶与广场场景中，自干扰信道的时延功率谱主要由三部分组成：环形器泄露分量，天线反射分量，空间散射分量。然后对环形器泄露分量、天线反射分量的成因进行理论分析并试验验证。另外，在空间散射分量中，散射径的功率与到达时间基本上呈幂指数衰减的关系。当馈线长度为0m，天线高度为1.7m时，这三种场景散射径的功率与到达时间之间衰减指数分别为：5.81、4.19、5.20。
　　(3)自干扰信道的均方根时延扩展。在这三种室外场景中，共用收发天线自干扰信道的均方根时延扩展均服从对数正态分布；从理论上分析了均方根时延扩展与馈线长度的关系，并对理论结果进行试验验证。
　　(4)自干扰信道的相干带宽。在大楼墙外侧场景与广场场景中，自干扰信道的相关带宽服从极值分布。在楼顶场景中，相关带宽服从威布尔分布。
　　本文研究了室内外场景静态全双工自干扰信道的特性。其结果将会引导同时同频全双工自干扰抑制技术的研究走向工程化，驱动同时同频全双工通信体制实用化，对同时同频全双工通信系统的设计具有指导意义。

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缩略词表

主要数学符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究内容与贡献

1.4 论文结构及内容安排

第二章 同时同频全双工自干扰信道测量与分析基础

2.1 引言

2.2 信道测试方法

2.3 测试系统与测试过程

2.4 信道特征度量

2.5 数据的统计处理

2.6 本章小结

第三章 室内场景收发天线分离同时同频全双工自干扰信道

3.1 引言

3.2 办公室场景

3.3 走廊场景

3.4 屏蔽室场景

3.5 本章小结

第四章 室内场景共用收发天线同时同频全双工自干扰信道

4.1 引言

4.2 办公室场景

4.3 走廊场景

4.4 屏蔽室场景

4.5 本章小结

第五章 室外场景收发天线分离同时同频全双工自干扰信道

5.1 引言

5.2 大楼墙外侧场景

5.3 楼顶场景

5.4 广场场景

5.5 本章小结

第六章 室外场景共用收发天线同时同频全双工自干扰信道

6.1 引言

6.2 大楼墙外侧场景

6.3 楼顶场景

6.4 广场场景

6.5 本章小结

第七章 全文总结

7.1 本文贡献

7.2 下一步工作的建议和未来研究方向

致谢

参考文献

本文作者已发表、录用和在审文章

在攻读博士学位期间参加的科研项目