一种射频自干扰消除系统及方法

本发明涉及无线通信，特别是涉及一种射频自干扰消除系统及方法。

背景技术：

1、相较于时分双工与频分双工技术，同时同频全双工技术理论上可在同一时隙、同一频段实现数据的双向传输，可实现频谱利用率的倍增，具有广阔的应用前景。然而，同时同频全双工技术面临强自干扰问题。全双工设备接收信号时会受到自身发射信号的干扰，由于通信节点的发射天线与接收天线之间的距离很近，自干扰信号强度远大于有用信号强度，接收机难以检测到有用信号，严重影响接收性能。因此，自干扰消除是同时同频全双工系统的关键技术之一

2、现有的自干扰消除方案包括被动消除和数字消除、射频消除三种方式。被动消除技术通常依赖于硬件设施，例如采用环形器进行收发隔离、增加全双工设备的收发天线间距等，该方式硬件成本较高。数字消除技术主要通过信道估计重建自干扰信号，通常可实现的干扰抑制性能较低。射频消除技术通过射频电路调整信号幅度、相位，重构出与自干扰信号等幅、反向的信号，实现干扰抵消，该方案研究广泛、自干扰消除效果显著。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种射频自干扰消除系统及方法，通过算法处理单元及幅相控制单元重构出与自干扰信号等幅反向的对消信号，生成的对消信号与含有用信号的混合信号合路相加，从而实现自干扰消除。对消信号重构过程中，引入莱维随机游走全局搜索最优的幅相控制信号，提高自干扰对消信号的精度。

2、为达到以上目的，本发明提供了一种射频自干扰消除系统，包括发送信号耦合单元、射频隔离单元、信号合成单元、接收信号耦合单元、功率检测单元、算法处理单元、数模转换单元及幅相控制单元；

3、所述发送信号耦合单元用于将发送端射频信号按比例分成两路，分别输出至所述射频隔离单元及幅相控制单元；

4、所述射频隔离单元用于隔离发送端和接收端之间的射频信号；

5、所述信号合成单元用于将两路输入信号合并为一路输出信号；

6、所述接收信号耦合单元用于将所述信号合成单元输出的射频信号按比例分成两路，分别输出至接收端及所述功率测量单元；

7、所述功率测量单元用于测量并获取所输入的合并信号功率值；

8、所述算法处理单元用于执行所设计的射频自干扰消除方法；

9、所述数模转换单元用于将所述算法处理单元输出的数字幅相控制信号转换为模拟幅相控制信号；

10、所述幅相控制单元用于接收所述数模转换单元输出的模拟幅相控制信号，并调整信号幅度和相位，输出射频对消信号至所述信号合成单元。

11、在上述方案的基础上，所述发送信号耦合单元将发送端射频信号分为两路，其中一路输出至射频隔离单元第一端口，经射频隔离单元第二端口输出至天线，另一路输出至所述幅相控制单元；

12、射频隔离单元第三端口的输出信号为射频隔离单元第二端口输入的接收射频信号及由射频隔离单元第一端口泄露至射频隔离单元第三端口的射频自干扰信号的叠加；

13、所述信号合成单元将所述幅相控制单元输出的射频对消信号与射频隔离单元第三端口输出的信号合并为一路残余信号，输出至所述接收信号耦合单元；

14、所述接收信号耦合单元将信号合成单元的输出信号分为两路，其中一路输出至接收端，另一路输出至所述功率测量单元；

15、所述功率测量单元测量接收信号耦合单元输出的残余信号功率，并将功率值输出至所述算法处理单元；

16、所述算法处理单元执行射频自干扰消除算法，产生数字幅相控制信号，并输出至所述数模转换单元；

17、所述数模转换单元将算法处理单元输出的数字幅相控制信号转换为模拟幅相控制信号，并输出至所述幅相控制单元；

18、所述幅相控制单元根据模拟幅相控制信号，调节信号幅度和相位并输出射频对消信号至所述信号合成单元。

19、基于上述方案的基础上，提供一种射频自干扰消除方法，具体包括如下步骤：

20、步骤一：初始化标志位f＝1，迭代计数器t＝0，迭代计数器溢出上限tmax，n个幅相控制信号以及莱维随机游走参数集合；

21、步骤二：n个幅相控制信号构成当前幅相控制信号集合；依次利用n个幅相控制信号产生n个残余信号，得到当前残余信号功率集合；

22、步骤三：判断标志位f是否为1，若是，转至步骤四；否则，转至步骤九；

23、步骤四：从残余信号功率集合中选取最小值，记录其幅相控制信号；剩余n-1个残余信号功率及其对应的幅相控制信号分别构成集合；

24、步骤五：对剩余n-1个幅相控制信号分别执行莱维随机游走，产生n-1个修正幅相控制信号，采用二元化处理后构成集合；

25、步骤六：依次利用n-1个修正幅相控制信号产生n-1个修正残余信号，得到修正残余信号功率集合；

26、步骤七：依序比较n-1组当前残余信号功率与修正残余信号功率，每组比较结果取二者较小值，构成残余信号功率集合及对应的幅相控制信号集合；

27、步骤八：将比较所得残余信号功率集合与步骤四中残余信号功率最小值构成下一轮迭代的当前残余信号功率集合，集合中残余信号功率对应的幅相控制信号构成下一轮迭代的当前幅相控制信号集合，置标志位f＝2，t＝t+1，并转至步骤三；

28、步骤九：判断算法是否满足停止准则，若是，转至步骤十；否则，转至步骤十一；

29、步骤十：从当前残余信号功率集合中选取功率最小值，将其对应的幅相位控制信号作为最优幅相控制信号，并进行输出；

30、步骤十一：置标志位f＝1，转至步骤三。

31、在上述方案的基础上，步骤一中所述幅相控制信号由长度为2m的二进制数组xn，1≤n≤n，表示，其中，m为数模转换单元采样位数，二进制数组xn的前m位表示幅度控制信号，后m位表示相位控制信号；

32、所述莱维随机游走参数集由二元组<α,β>表示，其中，α为步长缩放因子，β为莱维指数。

33、在上述方案的基础上，步骤三中所述当前幅相控制信号集合表示为当前残余信号功率集合表示为其中，pn为第n个残余信号的功率。

34、在上述方案的基础上，步骤四中所述从残余信号功率集合中选取最小值记录其幅相控制信号其中，n*为残余信号功率最小值下标，由公式(1)计算：

35、

36、其中，argmin(·)(·)为取集合中最小元素下标运算符，为当前残余信号功率集合；

37、所述剩余n-1个残余信号功率集合可表示为\为集合差集运算符；其对应的幅相控制信号集合可表示为

38、在上述方案的基础上，步骤五中所述对剩余n-1个幅相控制信号分别执行莱维随机游走，产生n-1个修正幅相控制信号，可由公式(2)表示：

39、

40、其中，xi为集合中的幅相控制信号，为修正幅相控制信号，α为步长缩放因子，为修正幅相控制信号的随机步长向量，si服从莱维分布，由公式(3)产生：

41、

42、其中，⊙为哈达玛积运算符，|·|为绝对值运算符，为均值为零向量协方差矩阵为σ2i2m的高斯随机向量，iq为q阶单位阵，β为莱维指数，γ(·)为伽马函数，sin(·)为正弦函数，π为圆周率，是均值为零向量，协方差矩阵为i2m的高斯随机向量；

43、所述对n-1个修正幅相控制信号采用二元化处理，由公式(4)计算：

44、

45、其中，为的第m个元素，∈是区间为(0,1)的均匀分布随机变量，m为数模转换单元采样位数；

46、所述二元化处理后修正幅相控制信号集合可表示为为修正幅相控制信号。

47、在上述方案的基础上，步骤六中所述修正残余信号功率集合可表示为为修正残余信号功率。

48、在上述方案的基础上，步骤七中所述依序比较n-1组当前残余信号功率与修正残余信号功率，每组比较结果取二者较小值，构成残余信号功率集合及对应的幅相控制信号集合，分别由公式(5)和(6)表示：

49、

50、

51、其中，为比较后的残余信号功率集合，n为幅相控制信号个数，n*为步骤四中残余信号功率最小值下标，pi为集合的元素，可由公式(7)表示：

52、

53、其中，min{·,·}为取最小值运算符，为修正残余信号功率，为比较后的幅相控制信号集合，xi为集合的元素，可由公式(8)表示：

54、

55、其中，为指示函数，当约束条件c为真时，否则，

56、在上述方案的基础上，步骤八中所述将比较所得n-1个残余信号功率集合与步骤四中残余信号功率最小值构成下一轮迭代的当前残余信号功率集合，可由公式(9)表示：

57、

58、其中，为当前残余信号功率集合，为比较后的残余信号功率集合，为步骤四中残余信号功率最小值；所述集合中残余信号功率对应的幅相控制信号构成下一轮迭代的当前幅相控制信号集合，可由公式(10)表示：

59、

60、其中，为当前幅相控制信号集合，为比较后的幅相控制信号集合，为步骤四中残余信号功率最小值对应的幅相控制信号。

61、在上述方案的基础上，步骤九中所述算法停止准则，包括：若t>tmax，则迭代计数器溢出，算法停止；否则，迭代计数器未溢出，算法继续迭代；

62、在上述方案的基础上，步骤十中所述从当前残余信号功率集合中选取功率最小值，将其对应的幅相位控制信号作为最优幅相控制信号，由公式(11)和(12)表示：

63、

64、

65、其中，为当前残余信号功率集合，nopt为当前残余信号功率集合中选取功率最小值对应下标；xopt为输出的最优幅相控制信号。本发明的有益效果：

66、本系统以及方法可满足无线通信射频自干扰消除需求，在干扰信号重建的过程中，通过莱维随机游走进行全局搜索，能够快速、高效地搜索到全局最优的幅相控制信号，以重构与自干扰信号等幅且反向的对消信号，实施简单，通用性强，鲁棒性高，对提高无线通信性能具有重要意义。