无线全双工多输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】无线全双工多输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]本发明所采用的技术方案如下:
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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);
[0013]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I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I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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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(MMO)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。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为3输入3输出天线对星形对称形式摆放原理图；
[0018]图2为3输入3输出天线对镜像对称形式摆放原理图。
[0019]图3为一对天线对的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]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。
[0021]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’古BB’，不同天线对之间形成的夹角可以不相等，参考图1中ZCOA^Z 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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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I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I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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。[0029]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。
[0030]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’古BB’，不同天线对之间形成的距离可以不相等，参考图2中丽古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。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]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。
【权利要求】
1.一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，其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述的无线全双工多输入多输出通信模拟自干扰信号消除装置，其特征在于: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I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I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。
【文档编号】H04B7/04GK103701510SQ201310750505
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】王旭东, 唐爱民 申请人:上海交通大学