无线全双工多输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置

摘要

本发明公开了一种无线全双工多输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置，收发机的每一路发射链路和接收链路共享两根天线组成一个天线对，所述的两根天线同时发送和接收信号，且对于每一路发射的信号，两根天线分别发射功率相同相位相反的信号；多对所述的天线对以星形对称形式摆放，即每对天线对的中点相交于一点；或者以镜像对称形式摆放，即每对天线对的中垂线重合。本发明结构简单，有效的消除模拟自干扰信号的强度，实现多输入多输出（MIMO）链路数量的拓展、实现对无线全双工多输入多输出通信的模拟自干扰信号的消除。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种无线全双工多 输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置。

背景技术

传统的无线通信采用频分双工和时分双工，频分双工采用在不 同频段上同时上行和下行通信，而时分双工采用把连续时间分为小的 时隙，在同一频段不同时隙上行和下行通信，因此频分双工和时分双 工本质上都是半双工通信。全双工通信指的是在同一频段上同时上行 和下行通信。

相比于半双工技术，全双工技术可以有效地提高频率的利用率并 增强无线收发机的功能。实现无线全双工通信技术需要消除自身发射 信号对需要接收的信号的影响，称之为自干扰信号消除。而其中的最 大的难点在于对模拟自干扰信号的消除，即在信号进入数字模拟转换 器（ADC）之前的自干扰消除。

多输入多输出（MIMO）通信指的是同一收发机采用多根天线在同 一时间进行多个信号输入和多个信号输出的通信。多输入多输出通信 也可有效的提高通信的速率，目前该技术已经得到了普遍的应用。而 无线全双工多输入多输出通信是指无线收发机在同一频带上同时进 行多路输入和多路输出，充分利用无线双工通信和多输入多输出的优 点，进一步提高通信速率和频谱利用率，增强收发机的功能。

实现无线全双工多输入多输出通信需要在收发机的每一路接收链 路实现对所有发射天线发出的自干扰信号消除，相比于单输入单输出 的无线双工通信，自干扰信号的消除变得更加困难，而其中的模拟自 干扰信号的消除是消除的重点。

目前无线全双工多输入多输出通信在国内尚未有相关研究成果， 在国外仅有NEC实验室提出了一种无线全双工多输入多输出消除装 置（ACM,Mobicom，2012:257-268，“MIDU:enabling MIMO full  duplex”），在该方法中，通过四根天线的相互垂直的摆放方法实现单 输入单输出的模拟自干扰信号消除，实现一个3输入3输出的模拟自 干扰信号消除需要12根天线，并且所有发射天线和接收天线的摆放 必须相互垂直。实现该消除装置需要的天线数量很多，且天线的摆放 方式固定，不灵活，天线摆放占用空间较多，因此很难应用到实际装 置中。

传统的信号消除方法对于实现无线全双工多输入多输出通信并不 适用，因此实现无线全双工多输入多输出通信模拟自干扰信号消除仍 然是一个难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种无线全双工多 输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置。

本发明所采用的技术方案如下：

一种无线全双工多输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置， 其特点在于：收发机的每一路发射链路和接收链路共享两根天线组成 一个天线对，所述的两根天线同时发送和接收信号，且对于每一路发 射的信号，两根天线分别发射功率相同相位相反的信号；

多对所述的天线对以星形对称形式摆放，即每对天线对的中点 相交于一点；或者以镜像对称形式摆放，即每对天线对的中垂线重合。

所述的天线对包括：信号发射端（1）、180度功率分配器（2）、 第一环形器（3）、第二环形器（4）、第一天线（5）、第二天线（6）、 功率合成器（7）和信号接收端（8）；

所述的信号发射端与180度功率分配器的输入端连接，该180 度功率分配器将发送信号分成功率相等、相位相反的两路对称信号分 别由180度功率分配器的第一输出端和第二输出端输出，第一路发送 信号进入第一环行器的1号端口，然后由第一环行器的2号端口输出， 通过连接在第一环行器2号端口上的第一天线发射出去，第二路发送 信号进入第二环行器的1号端口，然后由第二环行器的2号端口输出， 通过连接在第二环行器2号端口上的第二天线发射出去；

所述的第一天线接收到的第一路接收信号进入第一环行器的2号 端口，然后经由第一环行器的3号端口输出后，进入功率合成器的第 一输入端，所述的第二天线接收到的第二路接收信号进入第二环行器 的2号端口，然后由第二环行器的3号端口输出后，进入功率合成器 的第二输入端，所述的第一路接收信号和第二路接收信号经功率合成 器合并为一路，由功率合成器的输出端输出，并由信号接收端接收。

本发明使用多根天线实现在同一频段同时进行多路无线信号的 发射和多路信号的接收。对于天线对以星形对称形式摆放，所有天线 对的中点相交于一点，其中：每一组天线对的两根天线之间的距离可 以相等，也可以不相等，不同天线对之间的夹角可以相同，也可以不 相同。对于天线对以镜像对称形式摆放，所有天线对的中垂线相互重 合，其中：每一组天线对的两根天线之间的距离可以相等，也可以不 相等，不同天线对之间的距离可以相等，也可以不相等。每组天线对 的两根天线和环行器相同。发射链路的发射信号到达接收链路时，信 号强度大幅降低。

与现有技术相比，本发明的有益效果是结构简单，有效的消除模 拟自干扰信号的强度，实现多输入多输出（MIMO）链路数量的拓展。 有效实现无线全双工多输入多输出通信的模拟自干扰的消除。

附图说明

图1为3输入3输出天线对星形对称形式摆放原理图；

图2为3输入3输出天线对镜像对称形式摆放原理图。

图3为一对天线对的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本 发明的保护范围。

参考图1中所示是一个3输入3输出的天线对星形对称形式摆放 结构，其中，每一对天线的中点必须相交于一点，参考图1中的O点， 每个天线对的两根天线之间的距离可以不相等，参考图1中AA’≠ BB’，不同天线对之间形成的夹角可以不相等，参考图1中∠COA≠ ∠AOB。根据上述原则，该天线对星形对称形式摆放结构可以拓展为 任意多输入多输出结构。

参考图1中，在该3输入3输出结构中，第一对天线AA’需要消 除自己发射的信号，同时还需要消除第二对天线BB’和第三对天线 CC’发出的信号；第二对天线BB’需要消除自己发射的信号同时还 需要消除第一对天线AA’和第三对天线CC’发出的信号；第三对天 线CC’需要消除自己发射的信号同时还需要消除第一对天线AA’和 第二对天线BB’发出的信号。

下面以第一对天线AA’消除自己发射的信号和第二对天线BB’ 以及第三对天线CC’发射的信号为例，具体说明如何实现模拟自干 扰信号消除。

首先，如图3所示，一对天线对包括：信号发射端1、180度功率 分配器2、第一环形器3、第二环形器4、第一天线5、第二天线6、 功率合成器7和信号接收端8；所述的信号发射端与180度功率分配 器的输入端连接，该180度功率分配器将发送信号分成功率相等、相 位相反的两路对称信号分别由180度功率分配器的第一输出端和第 二输出端输出，第一路发送信号进入第一环行器的1号端口，然后由 第一环行器的2号端口输出，通过连接在第一环行器2号端口上的第 一天线发射出去，第二路发送信号进入第二环行器的1号端口，然后 由第二环行器的2号端口输出，通过连接在第二环行器2号端口上的 第二天线发射出去；所述的第一天线接收到的第一路接收信号进入第 一环行器的2号端口，然后经由第一环行器的3号端口输出后，进入 功率合成器的第一输入端，所述的第二天线接收到的第二路接收信号 进入第二环行器的2号端口，然后由第二环行器的3号端口输出后， 进入功率合成器的第二输入端，所述的第一路接收信号和第二路接收 信号经功率合成器合并为一路，由功率合成器的输出端输出，并由信 号接收端接收。

两根天线同时收发信号，其中将发射信号分别通过两根天线分别 以反相信号的形式发射出去，同时将两根天线接收到的信号线性组 合，通过对称电路的设计，实现了对自己发射信号的消除。

其次，对于第二对天线BB’发出的信号，参考图1中，天线A同 时接收到天线B和天线B’发出的信号，天线A’也会同时接收到天 线B和天线B’发出的信号，由于第一对天线AA’的接收信号端对于 天线A和天线A’接收到的信号采取线性叠加，因此第一对天线AA’ 的接收端接收到第二对天线BB’发出的信号分别为来自于路径BA， BA’，B’A，B’A’四路信号的叠加。由于天线对AA’和BB’的中 点相交于一点，因此路径长度BA=B’A’，天线B和天线B’分别发 送功率相同相位相反的信号，经过相等路径，产生的路径衰减和延时 也相等，因此天线B发射的信号到达天线A和天线B’发射的信号到 达天线A’线性叠加后，由于两路功率相等，相位相反，从而实现相 互消除。同时，不同天线对之间由于信号传播的路径衰减，进一步减 弱了自干扰信号的强度。同理可知，天线B发射的信号到达天线A’ 和天线B’发射的信号到达天线A后也相互叠加消除，从而实现了第 一对天线AA’接收端对第二对天线BB’发射信号的消除。

最后，对于第三对天线CC’发出的信号，参考图1中，与消除第 二对天线BB’发出的信号原理相同，第一对天线AA’也可以实现对 第三对天线CC’发出信号的消除。

综上，第一对天线AA’实现了对自己发射信号的消除以及对第二 对天线BB’和第三对天线CC’发射信号的消除。

与第一对天线AA’的消除原理相同，第二对天线BB’和第三对天 线CC’也可以分别实现对所有天线对发射的自干扰信号进行有效的 消除，从而实现了无线全双工多输入多输出模拟自干扰信号的消除。

参考图2中所示是一个3输入3输出的天线对镜像对称形式摆放 结构，其中，每一对天线的中垂线必须重合，每个天线对的两根天线 之间的距离可以不相等，参考图2中AA’≠BB’，不同天线对之间 形成的距离可以不相等，参考图2中MN≠NL。根据上述原则，该天 线对镜像对称形式摆放结构可以拓展为任意多输入多输出结构。

参考图2中，在该3输入3输出结构中，第一对天线AA’需要消 除自己发射的信号，同时还需要消除第二对天线BB’和第三对天线 CC’发出的信号；第二对天线BB’需要消除自己发射的信号同时还 需要消除第一对天线AA’和第三对天线CC’发出的信号；第三对天 线CC’需要消除自己发射的信号同时还需要消除第一对天线AA’和 第二对天线BB’发出的信号。

下面以第一对天线AA’消除自己发射的信号和第二对天线BB’ 以及第三对天线CC’发射的信号为例，具体说明如何实现模拟自干 扰信号消除。

首先，同上，第一对天线AA’的接收端可以实现对自己发射信号 的消除。

其次，对于第二对天线BB’发出的信号，参考图2中，天线A同 时接收到天线B和天线B’发出的信号，天线A’也会同时接收到天 线B和天线B’发出的信号，由于第一对天线AA’的接收信号端对于 天线A和天线A’接收到的信号采用线性叠加，因此第一对天线AA’ 的接收端接收到第二对天线BB’发出的信号分别为来自于路径BA， BA’，B’A，B’A’四路信号的叠加。由于天线对AA’和BB’的中 垂线相互重合，因此路径长度BA=B’A’，天线B和天线B’分别发 送功率相同相位相反的信号，经过相等路径，产生的路径衰减和延时 也相等，因此天线B发射的信号到达天线A和天线B’发射的信号到 达天线A’线性叠加后，由于两路功率相等，相位相反，从而实现相 互消除。同时，不同天线对之间由于信号传播的路径衰减，进一步减 弱了自干扰信号的强度。同理可知，天线B发射的信号到达天线A’ 和天线B’发射的信号到达天线A后也相互叠加消除，从而实现了第 一对天线AA’接收端对第二对天线BB’发射信号的消除。

最后，对于第三对天线CC’发出的信号，参考图2中，与消除第 二对天线BB’发出的信号原理相同，第一对天线AA’也可以实现对 第三对天线CC’发出信号的消除。

综上，第一对天线AA’实现了对自己发射信号的消除以及对第二 对天线BB’和第三对天线CC’发射信号的消除。

与第一对天线AA’的消除原理相同，第二对天线BB’和第三对天 线CC’也可以分别实现对所有天线对发射的自干扰信号进行有效的 消除，从而实现了无线全双工多输入多输出模拟自干扰信号的消除。

综上，本发明采用天线对星形对称形式摆放或者天线对镜像对称 形式摆放，分别实现了对无线全双工多输入多输出模拟自干扰信号的 有效消除，从而满足无线全双工多输入多输出通信中对模拟自干扰信 号的消除要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具 高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制 本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴 下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有 通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一 切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。