一种基于时间反演的同时同频全双工电磁通信方法与流程

本发明涉及微波技术领域及通信领域，具体涉及一种基于时间反演的同时同频全双工电磁通信方法。

背景技术：

当前主流的无线通信系统通常采用半双工(Half-duplex)的通信模式，如时分双工(Time-division duplexing,TDD)和频分双工(Frequency-division duplexing,FDD)。时分双工采用时分复用的方式，在同一频道内、从时间上将发射通道与接收通道相互隔离；而频分双工则是采用两个不同的频道分别赋予发射通道和接收通道，而在时间上实现同时但不同频的收发功能。鉴于传统的半双工通信模式无法实现在同一频道上用相同的极化方式对信息同时收发，因而无线频谱资源尚未获得充分利用。

同时同频全双工(Co-time co-frequency full duplexing,CCFD)用全双工的方式实现在同一频道上对信息进行同时收发，因而能够极大提高频谱利用率，从而提高通信速率、增加系统容量、改善通信效率。并且，同时同频全双工通信在数据吞吐量、无线接入抗冲突能力、电磁兼容性、物理层安全性等多方面均有明显优势。然而，要构建高效率的CCFD通信仍然面临着众多理论问题和技术瓶颈，诸如高性能的自干扰消除、全双工模式在实际应用场景下的有效性、低复杂度软/硬件全双工系统的搭建等。其中，自干扰消除是全双工通信的核心问题。现有研究表明，在全双工通信模式下，若自干扰信号的强度能够有效抑制，使剩余自干扰信号的强度低于背景噪声功率3dB以上，则抑制后的自干扰信号不会对通信系统的端到端吞吐量造成显著影响。

目前，在CCFD通信的研究中，主要采用多天线系统，通过合理的布置各个天线的空间位置或者利用电磁波的交叉极化特性等方案实现自干扰的抑制。文献【Passive self-interference suppression for full-duplex infrastructure nodes[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(2):680-694.】提出了一种采用定向天线法抑制自干扰实现CCFD的方法，其采用两副90度波束宽度的定向天线，在收发天线相距50cm时可实现27.9dB的自干扰抑制。文献【Two-way(true full-duplex)wireless[C].CWIT,Toronto,Canada,2013,33-38.】利用交叉极化原理，对收、发两端采用不同极化方式的天线实现收发间的高隔离度，从而抑制CCFD通信过程中的自干扰。如上所述，当前的主要方案均采用多天线即天线阵列，然而根据传统理论，为使多天线系统获得良好的空间分集增益和空间复用增益，要求天线单元间距不小于半个工作波长，最终导致收发前端所占的空间较大，这与移动终端小型化这一发展趋势相违背。

时间反演(Time reversal,TR)电磁学是近年来发展起来的电磁学新方向。研究表明，基于Maxwell方程的对称性，将接收器接收到的时域电磁波进行逆时处理后再发射，电磁波将自动在原源点处表现出时间-空间同步聚焦特性。TR电磁波的时-空聚焦、超分辨率聚焦特性将有可能为无线信息技术带来革命性变革，其在大容量、高速率无线通信领域，为码间干扰抑制、共道干扰抑制、复杂环境中的多径干扰抑制、有限空间内密集独立信道构建等一系列难题提供全新的解决途径。同时，利用时间反演通信技术，即使天线单元之间的间隔在亚波长状态，其相应的收发信道依然是独立的。若把TR电磁通信引入到CCFD通信中，则可为这类通信的自干扰抑制提供一种全新方案。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的相关问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于时间反演的同时同频全双工电磁通信方法，其原理拓扑如图1所示，通信双方分别记为A端、B端，每一端均包含接收天线(R_A、R_B)和发射天线(T_A、T_B)，具体包括以下步骤：

步骤1、针对通信方A端，在其接收天线R_A上激励起并发射出一个用于测试信道的探测信号H_A(t)，通信另一方即B端的发射天线T_B会接收到该探测信号H_A(t)；

步骤2、B端对接收到的探测信号H_A(t)进行时间反演操作，得到时间反演信号；

步骤3、在B端，将其需要传输至A端的携带信息的信号与步骤2所述的时间反演信号进行卷积操作后得到信号S_B(t)，经由B端的发射天线T_B将信号S_B(t)发射出去；信号S_B(t)经过空间传输后，会聚焦于A端的接收天线R_A处，由此实现B端至A端的信息传输；

步骤4、按照步骤1至步骤3所述方法，即可同时实现A端至B端的信息传输；

由于时间反演电磁波的超分辨聚焦特性，B端各个天线的信道是独立的，即发射天线T_B所发射的信号S_B(t)理论上不会泄漏至B端的接收天线R_B上；同理，A端发射天线T_A所发射的信号S_A(t)理论上也不会泄漏至A端的接收天线R_A上，由此能有效抑制同一通信方的自干扰信号，实现同时同频全双工通信。

进一步的，为保证时间反演电磁波的聚焦效果，通信双方的发射天线T_A、T_B均为包含不少于3个天线单元的阵列天线。

本发明的有益效果是：

本发明利用时间反演特有的时间-空间聚焦特性实现同时同频全双工通信中自干扰信号的有效抑制；同时，由于采用时间反演技术，即使通信双方收、发天线单元的间隔在亚波长状态，其相应的收发信道依然是独立的，因此降低了通信模块复杂度、提高通信速率、增加系统容量，也为移动终端的小型化提供了保障。

附图说明

图1本发明提供的同时同频全双工电磁通信方法的原理拓扑图。

图2本发明实施例提供的同时同频全双工电磁通信方法的原理拓扑图。

具体实施方式

实施例

本实施例提供的同时同频全双工通信方法的原理拓扑如图2所示，采用如下技术方案：

一种基于时间反演的同时同频全双工电磁通信方法，通信双方分别记为A端、B端，每一端均包含接收天线(R_A、R_B)和发射天线(T_A、T_B)，所述发射天线T_A、T_B均为包含有3个天线单元、呈亚波长分布间隔的阵列天线，具体包括以下步骤：

步骤1、针对通信方A端，在其接收天线R_A上激励起并发射出一个用于测试信道的探测信号H_A(t)，经过空间信道传输后，通信另一方即B端的发射天线T_B会接收到该探测信号：

$X_A\left(t\right)=H_A\left(t\right)\⊗h_n\left(t\right),$

其中h_n(t)为信道冲击响应，为卷积操作；

步骤2、B端对接收到的探测信号X_A(t)进行时间反演操作，得到时间反演信号：

$X_A(-t)=H_A(-t)\⊗h_n(-t);$

步骤3、在B端，将其需要传输至A端的携带信息的信号i(t)与步骤2所述的时间反演信号X_A(-t)进行卷积操作后得到信号经由B端的发射天线T_B将信号S_B(t)发射出去；信号S_B(t)经过空间信道传输后，会聚焦于A端的接收天线R_A处，由此实现B端至A端的信息传输；

步骤4、按照步骤1至步骤3所述方法，即可同时实现A端至B端的信息传输；

由于时间反演电磁波的超分辨聚焦特性，B端各个天线的信道是独立的，即发射天线T_B所发射的信号S_B(t)理论上不会泄漏至B端的接收天线R_B上；同理，A端发射天线所发射的信号S_A(t)理论上也不会泄漏至A端的接收天线R_A上，由此能有效抑制同一通信方的自干扰信号，实现同时同频全双工通信。