具有自適應接收功率降低的全雙工無線電的製作方法
2024-04-11 16:10:05
本發明涉及一種全雙工無線電及相應方法。
背景技術：
為滿足由於在行動裝置中受歡迎的多媒體應用的不斷增長的容量需求，許多方法已經被提出以提高現代無線系統的系統吞吐量。最有前途的方法之一是全雙工無線電，因為它使用相同的頻帶同時發送和接收信號。
這種方法可以幫助減少傳輸的帶寬佔用，同時保持整體產生的傳輸速率不變。通過這種方法，相較於半雙工無線電，雙倍吞吐量的改善是可以實現的。因此，在現代無線通信研究中最具挑戰性的研究前沿之一的是架構的設計和實現有效全雙工通信的解決方案。
全雙工無線電是能夠同時在同一信道上發送和接收信號的裝置。在無線電設備家族中最具吸引力和挑戰性的解決方案是所謂的帶內單天線全雙工實施。在這種情況下，所述設備不僅可以在同一頻帶上同時發送和接收也可通過單天線同時發送和接收。這能夠積極地影響設備的成本，從而不需要兩個或者更多獨立的電路和天線去實現全雙工通信。
然而，由於實際硬體架構的局限性，一個非常嚴重的問題影響著帶內單天線全雙工無線電，即，所謂的自幹擾(self-interference，si)。在實踐中，自幹擾是從設備的傳送(transmit，tx)鏈到接收(receive，rx)鏈洩漏的發送信號的一部分，由於採用的環行器的非理想性，三輸入/輸出組件旨在將天線連接到兩個鏈上。如果非託管，所述si能夠不可逆轉地損害無線電設備的性能。這是由於與輸入信號的功率相比它的非常高的功率，由於無線傳播引起的衰減，該輸入信號以非常低的功率到達天線。因此，所需的信號因殘餘si受到損害，並且整體的吞吐量降低。事實上，產生的測量在所有可能的幹擾強度中所需信號的強度的信幹噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio，sinr)量是非常低的。在這個背景下，正確的解碼不能夠被執行除非si在不能被取消的前提下能夠被顯著減少。
事實上，帶內單天線全雙工無線電不能夠避免在傳輸過程中從發射鏈到接收鏈的某信號洩露。這會引起影響接收信號的高水平的si的存在。目前，這仍然是一個非常具有挑戰性的問題。在這個領域的研究仍然處於一個非常初級的階段。
在圖1中，描述了全雙工無線電單元1的例子。傳輸單元3，也被稱為傳輸鏈tx，連接到環行器5上，該環行器5連接到天線6和接收單元4，該接收單元4也被稱為接收鏈rx。此外，所述傳輸單元3和所述接收單元4連接到幹擾消除單元9，該幹擾消除單元9由模擬幹擾消除單元7和數字幹擾消除單元8組成。
所述環行器5包括三個埠a、b和c。特別地，a是連接到所述tx鏈3的埠，b是連接到所述rx鏈4的埠，並且c是連接到所述天線6的埠。在實踐中，所述環行器5在埠a和埠b之間提供有限的隔離，導致在所述tx鏈3和所述rx鏈4之間的幹擾。所述tx射頻信號(radiofrequency，rf)，即，x，通過埠a傳輸，將其路由到埠c以到達所述天線6。或者，接收到的信號，即，z，被從所述天線6傳輸通過埠c，並被路由到埠b。事實上，非理想的環行器不提供埠a和埠b之間的完全隔離。
因此，所述tx信號x的部分，即，f(x)，且f(x)≤|x|，從埠a洩漏到埠b，對接收到的信號產生幹擾。假設熱噪聲的存在影響系統，通常存在於非理想電路中，我們可以將來自b的輸出信號表達為
y＝f(x)+z+n
其中，n表示上述的熱噪聲，為所述陳述的簡單起見添加到這裡。
如前所述，此處描述的示例性的解決方案實現了兩步si消除策略，其能夠將所述si成分從y中去除。該目標是為了降低si的水平，這樣它的功率低於或者等於所謂的本底噪聲，該本底噪聲是系統中所有噪聲源和多餘的信號的總和，前由n標記。如前所討論的，這樣設備中的si消除能力既依靠於所述設備的傳輸功率也依靠於所述本底噪聲。在實踐中，如果傳輸功率高，或者本底噪聲低(或者所述兩個事件的組合發生)，那麼殘留si將會在rx鏈中出現。
動態算法能夠評估由所述模擬電路引起的失真並模擬存在於所述rx鏈4中的實際si。相應地，可編程模擬消除電路，在此稱為模擬幹擾消除單元7，被採用來完成它們。由數字幹擾消除單元8執行的數字消除算法完成所述模擬以消除所述剩餘si。這種方法被示出以提供大約110db的總共的消除。我們的結論是，當所述全雙工的無線電的傳輸功率低於一定值時，si信號能夠被完全消除。相反地，所述所需信號遭受殘餘si信號的影響。
一般而言，我們可以認為這是對於所述全雙工無線電的有效性的限制。此外，從能耗和效率的角度來看，直接地消除高強度si信號降低了設備的能量效率，這是由於所述能量被浪費。因此，兩個主要的問題能夠被識別。一方面，上面所示的方法仍然遭受來自殘餘si的影響，並且就全雙工無線電允許的傳輸功率而言有上限。另一方面，目前，沒有基於全雙工無線電的想法解決所述能源問題，該能源在發送/接收過程被浪費。
當所述全雙工無線電同時發送和接收信號時，如果傳輸功率高於確保si消除的有效性的最高水平，則殘餘si降低接收到的信號的sinr，從而影響頻譜和能量效率。以防儘管傳輸功率低於確保si消除的有效性的最大水平，全雙工系統能夠有效地去除si，並且達到預期的頻譜和能量效率。因此，全雙工無線電的功率和能量效率強烈地依賴於si消除的有效性，並因此依賴於傳輸功率。
技術實現要素：
相應地，本發明的目的是提供一種全雙工無線電單元以及全雙工無線電方法，其具有非常低的自幹擾，同時允許高傳輸功率。
該目的由設備的權利要求1的特徵和方法的權利要求10的特徵所解決。從屬權利要求包含進一步的發展。
根據本發明的第一方面，一種全雙工無線電單元包括傳輸單元、天線、接收單元、環行器以及功率降低單元。所述傳輸單元配置為產生第一信號。所述環行器向所述天線提供來自所述傳輸單元的所述第一信號。所述天線配置為發送所述第一信號，並且同時使用相同的頻率或頻帶接收第二信號。所述環行器配置為向所述功率降低單元提供第三信號，其中，所述第三信號包括所述第二信號和通過所述天線和所述環行器的所述第一信號產生的幹擾。所述功率降低單元配置為配置為通過將所述第三信號乘以因子√ρ，降低所述第三信號的功率，其中，ρ介於0和1之間，從而產生第四信號。所述接收單元配置為接收所述第四信號。通過減小接收信號功率，從而有可能有效地減少自幹擾。
根據第一方面的第一實施形式，所述全雙工無線電單元包括配置為產生至少一個幹擾消除信號並向所述接收單元提供至少一個幹擾消除信號的幹擾消除單元。所述接收單元配置為通過添加所述幹擾消除信號到所述第四信號或者到通過所述接收單元從所述第四信號得到的中間信號，消除至少部分所述幹擾。從而有可能進一步減少幹擾。
根據第一方面的第二實施形式，所述功率降低單元配置為根據所述第一信號的傳輸功率確定和設置所述因子√ρ。因此，有可能最大化傳輸功率，同時保持最小的幹擾。
根據本發明的第一方面的第一施形式的第一實施形式，所述功率降低單元配置為根據所述第一信號的傳輸功率和/或噪聲水平和/或第三信號內的幹擾水平確定和設置所述因子√ρ，從而達到所述第四信號的預設的目標信幹噪比sinr。因此，達到特別高的傳輸功率和低的自幹擾。
根據本發明的第一方面的第一實施形式的第二實施形式，所述功率降低單元配置為確定和設置所述因子√ρ以使得所述第四信號的信幹噪比sinr高於所述第三信號的信噪幹比。從而可以進一步減小自幹擾。
根據本發明的第一方面的第三實施形式，所述功率降低單元包括配置為將所述第三信號分割為所述第四信號和第五信號的信號分割器。所述信號分割器配置為分割所述第三信號以使得所述第四信號是所述第三信號乘以√ρ並且所述第五信號是所述第三信號乘以√(1-ρ)。因此，進一步使用所述第五信號中的信號能量是可能的。
根據第一方面的第三實施形式的第一實施形式，所述功率降低單元包括配置為採收第五信號的至少部分能量的能量採收單元。因此，可以使用採收的能量對例如所述設備的電池充電。
根據本發明的第一方面的第三實施形式的第一實施形式的第一實施形式，所述能量採收單元配置為使用所述第五信號採收的能量至少部分地向所述全雙工無線電單元供電。從而達到非常高的能源效率。
根據本發明的第一方面的第三實施形式的第一實施形式的第二實施形式，所述全雙工無線電單元包括電池。所述能量採收單元配置為使用所述第五信號採收的能量向所述電池充電。因此，可以實現所述全雙工無線電單元的特別高的能量效率。
根據本發明的第二方面，提供了一種全雙工無線電傳輸和接收方法。所述方法包括產生第一信號，向天線提供所述第一信號，通過所述天線發送所述第一信號，並且通過所述天線使用與所述第一信號相同的頻率或頻帶同時接收第二信號。此外，所述方法包括通過環行器提供第三信號，其中，所述第三信號包括所述第二信號和通過所述天線和所述環行器的所述第一信號產生的幹擾。此外，所述方法包括通過將所述第三信號乘以因子√ρ，降低所述第三信號的功率，其中ρ介於0和1之間，從而產生第四信號並接收第四信號。因此，可以實現高傳輸功率和低自幹擾。
根據第二方面的第一實施形式，所述全雙工無線電方法包括產生至少一個幹擾消除信號和通過添加所述幹擾消除信號到所述第四信號或者到從所述第四信號得到的中間信號，消除至少部分幹擾。因此，有可能進一步減少幹擾。
根據第二方面的第二實施形式，根據所述第一信號的傳輸功率設置因子√ρ。因此，有可能在保持幹擾最小化的同時增加傳輸功率。
根據本發明的第二方面的第一實施形式的第一實施形式，根據所述第一信號的傳輸功率和/或噪聲水平和/或所述第三信號內的幹擾水平設置所述因子√ρ。從而達到所述第四信號的預設的目標信幹噪比。從而達到了特別高的傳輸功率和低的自幹擾。
根據本發明的第二部分的第一實施形式的第二實施形式，所述因子√ρ使得所述第四信號的信幹噪比sinr高於所述第三信號的信幹噪比。因此可實現進一步減少自幹擾。
根據本發明的第二方面的第三實施形式，將所述第三信號被分割為所述第四信號和第五信號。分割所述第三信號以使得所述第四信號是所述第三信號乘以√ρ並且所述第五信號是所述第三信號乘以√(1-ρ)。因此，有可能進一步使用第五信號中信號能量。
根據第二方面的第三實施形式的第一實施形式，採收所述第五信號的至少部分能量。因此，有可能使用採收的能量向例如所述設備的所述電池充電。
根據本發明的第二方面的第三實施形式的第一實施形式的第一實施形式，執行所述方法的全雙工無線電單元使用第五信號的採收的能量至少部分地供電。從而達到非常高的能量效率。
根據本發明的第二方面的第三實施形式的第一實施形式的第二實施形式，執行所述方法的全雙工無線電單元的電池通過使用採收的所述第五信號的能量充電。從而實現所述全雙工無線電單元非常高的能量效率。
一般地，必須注意到，在本申請中所描述的所有設置、設備、元件、單元和方法等等都可以由軟體或硬體元件或任何一種其組合實現。此外，所述設備可以是處理器，也可以包括處理器，其中在本申請中所描述的元件、單元和設備的功能可以在一個或多個處理器中實現。本申請中所描述的多種實體執行的所有步驟以及描述的多種實體執行的功能描述都意圖表示相應實體配置為或被配置用於執行相應步驟和功能。即使在下面的描述或者具體實施方式中，由一般的實體執行的特定的功能或步驟未體現在對執行特定步驟或功能的實體的具體元件的描述中，本領域技術人員應當清楚的是，這些方法和功能能夠在軟體或者硬體元件或者任何一種其組合方面被實現。
附圖說明
本發明在以下文將參照所包含的附圖對本發明的實施例進行詳細解釋。其中：
圖1在框圖中示出了示例性全雙工無線電單元；
圖2在框圖中示出了發明性的全雙工無線單元的實施例；
圖3在框圖中示出了發明性的全雙工無線電單元的實施例的細節；
圖4在框圖中示出了全雙工無線電單元的第一實施例的實施例的進一步細節；
圖5示出了用於在發明行的全雙工無線電單元及全雙工無線電傳輸和接收方法的不同實施例的因子ρ的不同設置；
圖6在流程圖中示出了發明性的全雙工無線電傳輸和接收方法的第一實施例；以及
圖7在流程圖中示出了全雙工無線電傳輸和接收方法的第二實施例。
具體實施方式
本發明中，我們提出了可以提高全雙工無線電單元2的能源效率和輸入傳輸的頻譜效率的解決方案，輸入傳輸也被稱為上行鏈路。在實踐中，我們提出了可以同時解決上述兩個問題，合理的利用在rx鏈中存在的大量自幹擾的解決方案。考慮到發射功率高於允許實現完整的si消除的值的情況，如圖1所示的解決方案，不可能完全的除去si，因此整體產生的sinr將會更低，進而降低上行鏈路傳輸的吞吐量。因此，全雙工無線電單元2將工作在發送功率的增加將增加可實現的下行鏈路速率但顯著降低上行鏈路速率的制度。本發明針對這種情況，並補充了現有技術以提高所述全雙工傳輸的能量效率，同時保證上行鏈路速率的良好性能。
首先，我們從圖2到圖4中展示了發明性的全雙工無線電單元的實施例的構造和功能。圖5示出了本發明實施例的性能增益。從圖6到圖7，描述了發明性的全雙工無線電傳輸和接收方法的不同實施例。類似的，在不同附圖中的實體和參考編號已省略。
圖2中，描述了全雙工無線電單元2。圖2中的全雙工無線電單元2的大部分與圖1中的全雙工無線電單元1相同。特別地，傳輸單元3、接收單元4、環行器5、天線6和幹擾消除單元9(包括模擬幹擾消除單元7和數字幹擾消除單元8)是相同的。
此外，圖2的全雙工無線電單元2包括功率功率降低單元14，該功率降低單元14耦接在環行器5和接收單元4之間。特別地，功率降低單元14包括能量採收單元10和dc/dc轉換器11。能量採收單元10耦接在環行器5和接收單元4之間。能量採收單元10的輸出耦接到dc/dc轉換器11上。
此外，全雙工無線電單元2包括電池12，該電池12用於向全雙工無線電單元供電。在這裡省略了由電池向全雙工無線電單元供電的能量線。電池12連接到dc/dc轉換器11。
此外，全雙工無線電單元2包括基帶模塊13，該基帶模塊13連接到功率降低單元14的能量採收單元10。
出於清晰的原因，這裡省略了基帶模塊13的進一步連接。在實踐中，基帶模塊13連接到能量採收單元10，因為其提供了有關適當分割因子ρ來實現目標信幹噪比sinr的信息。
在操作期間，傳輸單元3產生基帶信號，並隨後將其調整為來自基帶信號的第一rf信號20。第一信號20由環行器5傳遞給天線6並被發送。與此同時，第二信號21被天線6接收並傳遞給環行器5。在環行器5中，第三信號22由第二信號21和來自第一信號20的幹擾產生。第三信號22被傳遞到功率降低單元14，特別地到能量採收單元10。能量採收單元10將第三信號22分割為第四信號23和第五信號24。如前所述，第四信號23被傳遞到接收單元4。第五信號24被傳遞到dc/dc轉換器11並且被轉換為可用能量。電池12使用由dc/dc轉換器11提供的可用能量充電。使用此功率向全雙工無線電單元2直接充電也是可能的。
能量採收單元10根據分割因子ρ將第三信號22分割為第四信號23和第五信號24。這種分割因子由基帶模塊13確定並且基於第一信號20的傳輸功率和/或噪聲水平和/或第三信號23內的幹擾水平被通信給能量採收單元10，從而達到第四信號23的目標信幹噪比。特別地，設置因子ρ以使得第四信號的信幹噪比高於第三信號的信噪比。因此，有可能使用幹擾消除單元9消除第四信號23中的所有幹擾。
為了能夠滿足系統的目標性要求，能量採收單元10通過自適應行為被有利地實現。相應地，基帶模塊13配置為向信號分割器提供自適應行為並且優化能量採收單元10的性能。為了了解這個特徵的影響，我們把ρ的簡單非自適應選擇看作：
ρ＝0：來自環行器5的信號22全部被採收，信息速率被完全地抵消並且全雙工無線電作在節能模式下工作。
ρ＝1：來自環行器5的信號22全部被用於解碼信息。有用的傳輸的信息速率取決於全雙工無線電的發射功率，其工作在傳統的最先進的模式。
在實踐中，上述例子是簡單的界限，示出了就新的架構可以實現的頻譜/能量效率而言的的兩個極端。自然地，它們並不代表最令人關注的場景。事實上，基帶模塊13可以根據全雙工無線電的傳輸功率和傳輸的目標性能改變功率分割因子ρ。從這個意義上講，設備的製造商可以設置不同的操作策略以實現上行鏈路的頻譜效率和全雙工無線電的能源效率的動態水平。值得注意的是，與最先進的解決方案相比，傳輸功率對自幹擾消除的有效性的影響總是較低的，只要ρ＜1，可忽略所採用的值ρ的選擇。
事實上，基帶模塊13的採用使這種方法非常靈活。在實踐中，它不依賴於特定的應用而起作用。這種方法能夠被用在純和混合全雙工的情況下，即，忽略網絡中的其它設備如何能夠工作。這意味著這種方法適用於一些可能的應用，如，智能無線回程解決方案，d2d通信，m2m通信等等。
在圖3中，示出了圖2所示的實施例的細節。在這裡，示出了全雙工無線電單元2的子單元10的內部工作，其被稱為能量採收單元10。子單元10包括信號分割器31和射頻到dc轉換器32。功率分配器31將進入的第三信號22分割成第四信號23和第五信號24。第五信號24由rf到dc轉化器32轉換為有用的能量。功率分配器31在可調的方式下製造，以使得因子√ρ能夠被調整。
此外，rf到dc轉換器32也可以有利地用於提供自適應輸出電壓，以使得對連接的電池優化充電，例如通過利用工作於不連續導電模式的不受管制的升降壓電路轉換器來實現恆定的輸入電阻。總體來說，整個rf到dc轉換的效率可以通過因子η來建模，其由dc-輸出功率與rf-輸入功率的比值所得到。
在圖4中，示出了能量採收單元10的抽象版。這張圖關注於能量採收單元10的輸入和輸出信號。該待信號採收對應於第五信號24，其功率與1-ρ成比。該信號被整流並且隨後傳給dc/dc轉換器11，32。待解碼信號對應於第四信號23具有與ρ成比的功率。然後這個信號23被傳給接收單元4並且通過幹擾消除單元9也被用於幹擾消除。
因此，當全雙工無線電同時傳輸和接收時信號時，且傳輸功率不高於確保自幹擾消除的有效性的最大水平，全雙工系統能夠有效地去除si並達到預期的頻譜和能量效率。儘管如此，傳輸功率高於保證si消除的有效性的最大水平，來自環行器的信號被分割為兩部分，這樣si的功率被減少以滿足使用最先進技術的消除器的消除條件。功率和ρ成比的信號被饋送到解碼器。頻譜效率最大化的ρ能夠被發現和採用。功率和1-ρ成比的信號被饋送到能量採收器。由此產生的節能全雙工無線電單元2不受到作為最先進技術的設備的相同傳輸功率限制。實現了頻譜和能量的效率的提高。
所提出的節能全雙工無線電2的優點如下：
■節能全雙工無線電能夠處理解碼器期間的任何傳輸功率而不引起多餘si。
■由於能量採收單元10，一些浪費的能量能夠被採收並被再利用，從而實現節能。值得注意的是，節能水平隨著傳輸功率增加而增加。
■沒有額外的功率消耗被需要去操作功率採收單元10，其可以是無源組件。
■就能量/頻譜效率而言，ρ的適應性選擇允許實現給定的目標性能。
■沒有一個特定場景的要求是有效的並且可以在全雙工和混合半/全雙工場景中被操作。
■在未來網絡的背景下，例如5g網絡，節能全雙工無線電為實施全雙工d2d通信提供了有效的解決方案和全雙工基於帶內無線回程解決方案。
在圖5中，示出了特定場景的示例性的性能增益。
■讓全雙工無線電單元2的傳輸功率為25dbm且本底噪聲為-90dbm。圖1示出了示例性的全雙工無線電單元1，不能夠提供有效的si消除，並且如果非託管，一些殘餘的si影響上行鏈路的頻譜效率。
■假定rf到dc轉換的效率為η＝0.5。
■未提出發明的傳統的全雙工無線電導致的頻譜效率，即，確切地ρ＝1，是r＝1.4bps/hz。
圖5中示出了對於ρ的不同的值時上行鏈路可實現的頻譜效率。
可以清楚地看出：
1.ρ的選擇顯著地影響預期性能。
2.可以找到ρ的最優值，來最大化上行速率。特別的，如果我們定義pth為最大功率，該最大功率允許關於使用最先進技術的全雙工實施的完美的si消除，並且ptot為全雙工無線電的整體發射功率，那麼分分割因子的最優值可以被求出如下：
3.關於圖1的全雙工無線電單元1的增益可以是顯著的，即，在所考慮的例子中高達40％。
4.可忽略不計的能量，即，在所考慮的例子中20％以上的接收能量，能夠被處理用於採收，和實現節能。
圖6示出了發明性的方法的第一實施例。在第一步100中，第一信號被發送的同時第二信號被接收。在第二步101中，第三信號的功率包括第二信號和來自第一信號的幹擾，通過將其乘以因子√ρ而被降低。由此產生第四信號。在第三步102中，功率降低的第四號被接收。
圖7示出了發明性的方法的第二實施例。在第一步200中，第一信號被傳輸的同時第二信號被接收。與此同時，第三信號由接收的第二信號和幹擾產生。在第二步201中，功率降低因子√ρ基於rf傳輸信號和/或噪聲水平和/或第三信號的幹擾水平被確定。在第三步202中，第三信號通過乘以√ρ被分成第四信號並且通過乘以√(1-ρ)被分成第五信號。在第四步203中，能量採收在第五信號上被執行。在第五步204中，功率降低的第四信號被接收。
關於該方法的實施細節還可參照關於該設備的先前論述。
本發明不限於示例。本示例性的實施例的特徵能夠用於任何組合。
本發明與各種實施例在此一起被描述。然而，本領域技術人員通過附圖、公開及所附權利要求的學習，在實踐所宣稱的發明中，能夠理解本公開的實施例的其他變化。在權利要求中，詞語「包括」不排除其他元素或步驟，且不定冠詞「一」或「一個」不排除多個。單個處理器或者其他單元可以實現在權利要求中列舉的一些項的功能。僅憑在不同的從屬權利要求中列舉的某些措施的這一事實並不意味著這些措施的組合不能被有利的利用。電腦程式可以存儲/分布在適當的介質上，如光存儲介質或者作為其他硬體的一部分一起提供的固體介質，但也可能通過其他形式被分配，如通過網絡或其他有線或無線通信系統。