面向5G終端的同時(shí)頻全雙工天線架構(gòu)研究

1、中國(guó)科技論文在線面向5G終端的同時(shí)頻全雙工天線架構(gòu)研究 張長(zhǎng)清作者簡(jiǎn)介：張長(zhǎng)清(1958),男,高級(jí)工程師,中科院長(zhǎng)春物理研究所89級(jí)理學(xué)碩士研究生，任職中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信技術(shù)，發(fā)表科技文章170多篇，科技論文40多篇，編寫(xiě)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信及相關(guān)應(yīng)用軟件幾十個(gè). E-mail: 137073098691.5YueYang Branch, Hunan Co. Ltd of China Mobile Group, Senior Engineer中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司4140001370730986913707309869湖南省岳陽(yáng)市

2、花板湖路52號(hào)金緣花長(zhǎng)清(1958),男,高級(jí)工程師,中科院長(zhǎng)春物理研究所89級(jí)理學(xué)碩士研究生，任職中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信技術(shù)，發(fā)表科技文章170多篇，科技論文40多篇，編寫(xiě)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信及相關(guān)應(yīng)用軟件幾十個(gè)。張長(zhǎng)清zhangchangqing張長(zhǎng)清1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*焦秉立，馬猛，同頻同時(shí)全雙工技術(shù)淺析J，電信網(wǎng)技術(shù),3013(11):29-32.<CR>2*|*期刊*|*徐強(qiáng)，全欣等，同時(shí)同頻全雙工LTE射頻自干擾抑制能力分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3、J，電子與信息學(xué)報(bào),2014.3:662-669.<CR>3*|*期刊*|*何昭君，沈瑩等，自干擾幅度及相位誤差對(duì)全雙工系統(tǒng)的影響J，電波科學(xué)學(xué)報(bào),2014.10:827-833.<CR>4*|*期刊*|*卞宏梁，曹磊，同時(shí)同頻全雙工技術(shù)研究J，電信技術(shù),2013.12:37-40.<CR>5*|*專(zhuān)著*|*葛德彪，閆玉波，電磁波時(shí)域有限差分方法M，西安電子科技大學(xué)出版社,2006.12.<CR>6*|*專(zhuān)著*|*林昌祿，天線工程手冊(cè)M，電子工業(yè)出版社，2002.6.<CR>7*|*學(xué)位論文*|* 徐強(qiáng)，同時(shí)同頻全雙工自干擾抑制關(guān)鍵技

4、術(shù)研究與驗(yàn)證D，電子科技大學(xué)，2015.7<CR>8*|*期刊*|*徐強(qiáng)，劉鳳威等，一種變窗長(zhǎng)同時(shí)同頻全雙工自干擾信道估計(jì)算法J，電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016(1):48-53.*|1|張長(zhǎng)清|zhangchangqing|中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司|YueYang Branch, Hunan Co. Ltd of China Mobile Group, Senior Engineer|張長(zhǎng)清(1958),男,高級(jí)工程師,中科院長(zhǎng)春物理研究所89級(jí)理學(xué)碩士研究生，任職中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信技術(shù)，發(fā)表科技文章170多篇，科技論文40

5、多篇，編寫(xiě)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信及相關(guān)應(yīng)用軟件幾十個(gè)。|湖南省岳陽(yáng)市花板湖路52號(hào)金緣花園|41400013707309869向5G終端的同時(shí)頻全雙工天線架構(gòu)研究|Study on Co-time Co-frequency Full Duplex antenna architecture for 5G|- 10 -（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司）摘要：5G的高速率、高帶寬和高可靠性，對(duì)天饋接入系統(tǒng)提出了更高的要求。CCFD（Co-time Co-frequency Full Duplexing：同時(shí)頻全雙工）技術(shù)能倍增無(wú)線信道吞吐量，

6、提高頻譜資源利用率，保證無(wú)線傳輸中的實(shí)時(shí)反饋與自動(dòng)控制，使5G在未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)中可發(fā)揮重要作用。CCFD的收發(fā)天線須要分立布放，對(duì)于基站，同時(shí)頻強(qiáng)自干擾消除相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)；對(duì)于終端，因空間限制，同時(shí)頻強(qiáng)自干擾消除須有較高的技術(shù)性。本文首先表述了CCFD的基本通信原理，而后用FDTD（Frequency Division Duplexing：頻分雙工）算法和方向圖函數(shù)分析了在天線陣列中用波束賦形方式消除天線中的強(qiáng)自干擾過(guò)程，同時(shí)還分析了射頻干擾消除和數(shù)字干擾消除的簡(jiǎn)單方式，為設(shè)計(jì)5G終端天線系統(tǒng)提供了有益參考。關(guān)鍵詞：同時(shí)頻全雙工、時(shí)域有限差分、干擾消除。中圖分類(lèi)號(hào)：TN 911.3Stu

7、dy on Co-time Co-frequency Full Duplex antenna architecture for 5Gzhangchangqing(YueYang Branch, Hunan Co. Ltd of China Mobile Group, Senior Engineer)Abstract: 5G's high-speed, high bandwidth and high reliability, there is a higher standard of the antenna and cable access technology. CCFD techno

8、logy can double the throughput of the wireless channel, improve the utilization of spectrum resources, ensure real-time feedback and automatic control in the wireless transmission, so that 5G will play an important role in the future industrial Internet and Internet of things. CCFD transceiver anten

9、nas need to be discrete, for the base station, at the same time frequency interference is easy to eliminate; for the terminal, due to space constraints, and frequency interference cancellation is an important technology. This article first expresses the basic principles of ccfd communication with fi

10、nite-difference time-domain (FDTD) method and directivity diagram function, in antenna array with beamforming methods eliminate antenna in a strong self interference, and also analyzed the simple way to RF interference cancellation and digital interference cancellation and a useful reference for des

11、ign of 5g terminal antenna system is analyzed.Key words: Co-time Co-frequency Full Duplex, Finite Difference Time Domain, Interference elimination.1引言根據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組制訂的5G愿景與需求和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書(shū)要求，與4G相比5G網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率更高、速率更快、容量更大，因而有可能使無(wú)線頻譜資源更緊張，同時(shí)頻全雙工（Co-time Co-frequency Full Duplexing：CCFD）傳輸技術(shù)在一定程度上可以緩解這種緊

12、張。所謂同時(shí)頻全雙工是指同一通信設(shè)備中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)占用相同的時(shí)頻承載資源同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，使得通信的雙方在上下行在相同時(shí)間使用相同頻率信道，突破了傳統(tǒng)TDD（Time Division Duplexing：時(shí)分雙工）和FDD（Frequency Division Duplexing：頻分雙工）只能單方面在時(shí)域或頻域雙工通信的限制，在時(shí)頻兩域同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙工傳輸。顯然，TDD和FDD只占用了時(shí)域和頻域承載資源的一半，CCFD占用了全部時(shí)頻兩域承載資源。所以，CCFD的傳輸效率是TDD或FDD的一倍，或是TDD和FDD兩者之和，同時(shí)也包含了兩者的傳輸效率和通信優(yōu)勢(shì)。眾所周知，TDD的發(fā)射信道和接收信道

13、使用的都是相同的頻率信道，但系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)分別承載在時(shí)域幀中的下行子幀和上行子幀中，即上行信號(hào)和下行信號(hào)運(yùn)行在同頻信道的不同時(shí)隙里，從而可以避免上行信道與下行信道之間的相互干擾。FDD的發(fā)射信道和接收信道使用的是不同的頻率信道，下行頻率信道中的所有時(shí)隙承載發(fā)射信號(hào)，上行頻率信道中的所有時(shí)隙承載接收信號(hào)，同樣可以避免上行信道與下行信道之間的相互干擾。CCFD實(shí)際上包含了TDD和FDD的全部信息承載資源，上行傳輸資源中的頻率和時(shí)隙與下行傳輸資源中的頻率和時(shí)隙一樣，可以大大地提高無(wú)線傳輸資源的效率。更重要的是，TDD和FDD在傳輸中各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，并呈互補(bǔ)關(guān)系。CCFD因包含了TDD和FD

14、D傳輸方式，在包含兩者優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也中和了兩者的缺點(diǎn)。CCFD的應(yīng)用不僅提高了無(wú)線傳輸資源的應(yīng)用效率，還能提升了無(wú)線傳輸信道的性能。CCFD的無(wú)線傳輸優(yōu)勢(shì)一直激勵(lì)著人們的研究熱情，早在上世紀(jì)九十年代就開(kāi)始給予足夠的關(guān)注，就目前取得的成就來(lái)看令人振奮。然而，同時(shí)頻自干擾消除畢竟是無(wú)線傳輸中一道難以逾越的溝壑，何況CCFD的同時(shí)頻自干擾強(qiáng)度遠(yuǎn)超有用信號(hào)強(qiáng)度。所以CCFD的最大技術(shù)難點(diǎn)，仍然是如何在雙工設(shè)備的接收機(jī)中，正確區(qū)分來(lái)自遠(yuǎn)端的較弱接收信號(hào)和設(shè)備上發(fā)射機(jī)所發(fā)送的強(qiáng)干擾信號(hào)。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)有可能采用密集型網(wǎng)絡(luò)分布、毫米波通信、大規(guī)模MIMO天線等高新技術(shù)，其應(yīng)用對(duì)CCFD將有較大影響，其中天線

15、振子的小尺寸結(jié)構(gòu)、大規(guī)模MIMO天線的收發(fā)天線專(zhuān)用、有源相控陣的抗干擾性等都有可能成為加速CCFD走向應(yīng)用的重要引擎。5G終端因其空間、耗電等設(shè)計(jì)理念限制，對(duì) CCFD應(yīng)用提出了更高要求，本文從理論上研究了面向5G終端的適合CCFD場(chǎng)景的天線架構(gòu)，指出了終端發(fā)射半波天線陣應(yīng)用的實(shí)際意義，為5G應(yīng)用提供了有益的參考。2同時(shí)頻全雙工通信原理簡(jiǎn)介早在1997年，G.R.Kenworthy就申請(qǐng)了全雙工通信系統(tǒng)的美國(guó)專(zhuān)利，該系統(tǒng)采用射頻干擾抑制和數(shù)字干擾抑制兩級(jí)進(jìn)行自干擾消除，以達(dá)到在同時(shí)頻傳輸中能夠正確完成收發(fā)信號(hào)正常通信的目的。由于CCFD發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)對(duì)本地接收機(jī)產(chǎn)生的干擾是強(qiáng)同時(shí)頻自干擾，直

16、接影響是遠(yuǎn)端接收信號(hào)有可能完全被近端干擾信號(hào)所湮沒(méi)，而維持CCFD正常通信的自干擾消除技術(shù)，最初的應(yīng)用是在電話系統(tǒng)和多普勒雷達(dá)中，因其不同通信系統(tǒng)的信號(hào)帶寬、頻率，且自干擾信號(hào)消除量等指標(biāo)各異，使得不同系統(tǒng)中的自干擾消除技術(shù)存在較大差別，如在電話系統(tǒng)中接收支路對(duì)發(fā)射支路的干擾抑制量標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電信同盟ITU是不到30dB，而移動(dòng)通信基站中的自干擾抑制量在某些場(chǎng)景中高達(dá)130dB，所以許多已有的自干擾消除技術(shù)不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用在CCFD中。近年來(lái)，斯坦福大學(xué)、萊斯大學(xué)、加州大學(xué)、北京大學(xué)和電子科技大等先后對(duì)CCFD進(jìn)行了卓有成效的理論探索和工程實(shí)踐。其中北京大學(xué)焦秉立教授團(tuán)隊(duì)1，從2006到2013年

17、一直進(jìn)行CCFD研究，提出了蜂窩小區(qū)采用CCFD的演進(jìn)方案，即基站發(fā)射天線采用中心式布局，基站接收天線采用分布式布局，在干擾消除能力受限時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的較大提升，演示原型機(jī)包括一個(gè)支持CCFD方式的基站和兩個(gè)支持TDD方式的移動(dòng)終端，實(shí)驗(yàn)證明，在覆蓋半徑100米范圍內(nèi)，通信帶寬效率可達(dá)到TDD系統(tǒng)的兩倍。電子科技大學(xué)唐友喜教授團(tuán)隊(duì)2-3，在2013年建立了全球第一個(gè)4G CCFD實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景，在同時(shí)頻資源下，用4G空口使業(yè)務(wù)速率從30Mbps提升到50Mbps，頻譜效率也提高了一倍。顯然，我國(guó)的CCFD技術(shù)已開(kāi)始了從理論走向?qū)嵺`的飛躍。同時(shí)頻全雙工通信中的主要技術(shù)瓶頸是收發(fā)機(jī)間的強(qiáng)自干擾4

18、。由于發(fā)射天線與接收天線相距很近，自己發(fā)射出去的信號(hào)能量比接收到的遠(yuǎn)端信號(hào)能量大很多，一般在100dBm以上，要能正確解碼所需的接收信號(hào)，系統(tǒng)的自干擾消除能力至少要達(dá)到100dB。目前的主流研究都是采用多級(jí)消除法，即系統(tǒng)通過(guò)天線干擾消除、射頻干擾消除和數(shù)字干擾消除三級(jí)方式以其達(dá)到預(yù)定的效果。圖1所示是無(wú)線個(gè)人區(qū)域通信802.15.4系統(tǒng)采用三級(jí)干擾消除的基本工作原理圖，其中發(fā)射天線兩根，接收天線1根，若發(fā)射天線的發(fā)射功率為0dBm，在距離發(fā)射天線d=6英寸遠(yuǎn)的近端接收天線上，收到的干擾功率一般為-40dBm，設(shè)環(huán)境本底噪聲為-100dBm，若能想辦法消除接收系統(tǒng)中60dBm的自干擾，則近端接收

19、天線就有可能消除近端發(fā)射天線的信號(hào)干擾，正確解碼出遠(yuǎn)端的接收信號(hào)。圖1：同時(shí)頻全雙工工作原理從目前技術(shù)來(lái)看，采用如圖1所示的專(zhuān)用模塊QHx220組合的實(shí)際噪聲干擾消除電路，最多只能達(dá)到30dB，即射頻干擾消除方案可以減去接收系統(tǒng)的一半噪聲，余下的一半噪聲只能由數(shù)字干擾消除方式現(xiàn)實(shí)。需要指出的是，圖1所示仍然是一種理想情況，或者說(shuō)是一種非移動(dòng)通信系統(tǒng)的專(zhuān)用情況。目前流行的移動(dòng)終端，普遍寬不過(guò)8cm、高不過(guò)15cm，若按照?qǐng)D1方式設(shè)計(jì)收發(fā)天線，則發(fā)射天線與接收天線之間的距離將會(huì)更小，所以802.15.4系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能作為參考。更重要的是，移動(dòng)通信是一種寬帶通信，載頻帶寬都在MHz以上，如LTE

20、支持的6個(gè)載波帶寬分別為1.4、3、5、10、15和20MHz，每個(gè)載波中包含的子載波數(shù)分別為72、180、300、600、900和1200個(gè)，兩個(gè)發(fā)射天線與一個(gè)接收天線之間的距離d只可能滿足1個(gè)或幾個(gè)子載波的天線干擾消除要求。5G系統(tǒng)因高速率高數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枰?，不僅是寬帶通信，還會(huì)采用大規(guī)模MIMO多天線系統(tǒng)，說(shuō)明在面向5G的同時(shí)頻全雙工系統(tǒng)中，采用自消除技術(shù)時(shí)，不管是天線干擾消除、射頻干擾消除，還是數(shù)字干擾消除都會(huì)在一定程度上有別于傳統(tǒng)，甚至與傳統(tǒng)完成不同，才有可能適應(yīng)5G移動(dòng)通信的特殊要求。事實(shí)證明，在這三種干擾消除法中，天線直接消除較為重要，并且是一種簡(jiǎn)單、直接、高效的干擾消除方式，也

21、是將干擾過(guò)程抑制在萌芽狀態(tài)、將干擾影響拒之于接收天線之外的第一關(guān)。若5G終端發(fā)射天線采用半波天線陣，接收天線采用MIMO技術(shù)，將接收天線置于上方，發(fā)射天線陣置于下方，雖然終端空間尺尺見(jiàn)方，但發(fā)射天線陣的信號(hào)主瓣集中在陣列前方，接收天線處于賦形波束的主零點(diǎn)位置，若再增加相關(guān)屏蔽措施，天線干擾消除是可以達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求的。3面向5G終端的天線干擾消除研究CCFD技術(shù)要求同時(shí)頻收發(fā)天線分立，當(dāng)前熱門(mén)研究中的天線干擾消除技術(shù)，主要是在空中接口處采用物理或邏輯屏蔽與隔離，從而降低發(fā)射信號(hào)對(duì)接收天線的直接影響，其方法主要有：1拉遠(yuǎn)發(fā)射天線與接收天線間的距離采用分布式天線、增加電磁波傳播的路徑損耗，達(dá)到降低

22、雙工干擾在接收天線上的功率。2直接屏蔽雙工干擾在發(fā)射天線和接收天線間設(shè)置屏蔽罩，減少雙工干擾直達(dá)波對(duì)接收天線的影響。3采用鞭式極化天線使發(fā)射天線極化方向垂直接收天線，可有效降低直達(dá)波雙工干擾的接收功率。4配備多發(fā)射天線或多接收天線調(diào)節(jié)多發(fā)射天線的相位和幅度，使接收天線處于發(fā)射信號(hào)空間零點(diǎn)處，以降低雙工干擾，如兩發(fā)一收模式中兩發(fā)射天線與接收天線間距差為載波波長(zhǎng)一半。5采用發(fā)射天線陣列方式通過(guò)波束賦形減小發(fā)射信號(hào)的波瓣角，提高發(fā)射信號(hào)的功率密謀，從而獲得抑制雙工干擾的良好效果。顯然，5G基站的天線干擾消除容易實(shí)現(xiàn)，5G終端的天線干擾消除較難，但可采用屏蔽式、極化式和陣列式，其中陣列式更適合5G設(shè)計(jì)

23、標(biāo)準(zhǔn)，下面從理論上重點(diǎn)在不同布放發(fā)收天線的情況下，分析半波天線和半波天線陣列所引起的天線干擾消除效果。3.1半波天線干擾消除分析若發(fā)射天線與接收天線都是半波直線天線，則發(fā)收半波天線的布放方式一般只兩種，一種是指向Z軸的發(fā)收天線并列放置，一種是指向Z軸的發(fā)收天線軸向放置。由于半波天線的波束是偶極振子方向圖，與發(fā)射天線并列放置的接收天線受到的干擾最強(qiáng)，必須補(bǔ)充屏蔽罩；與發(fā)射天線軸向放置的接收天線受到的干擾最小，可以不考慮屏蔽。下面就用FDTD仿真來(lái)分析這兩種天線放置產(chǎn)生的干擾影響情況5。設(shè)同時(shí)頻全雙工系統(tǒng)載波主頻f=6GHz，波長(zhǎng)=c/f=0.05m=5cm，為厘米波。設(shè)移動(dòng)終端上本地收發(fā)半波天線

24、間距d=2.54*3inch8cm。收發(fā)天線彼此平行豎立，或彼此平行平放，前者用I型鋁質(zhì)屏蔽罩隔離。由于是金屬屏蔽罩，既可以在物理上隔離本地收發(fā)天線，實(shí)現(xiàn)天線干擾消除，還可以因其反射性可增強(qiáng)發(fā)射天線定向發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度。在平行豎立收發(fā)天線中，在1個(gè)半波發(fā)射天線與1個(gè)半波接收天線位置完全對(duì)等處增加一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，針對(duì)屏蔽罩與發(fā)射天線相距分別為1/4、1/2波長(zhǎng)二個(gè)位置設(shè)計(jì)模擬場(chǎng)景。在平行平放收發(fā)天線（發(fā)收天線軸向布放）中，在發(fā)射天線上方等距放一測(cè)試點(diǎn)，以些作為模擬場(chǎng)景。定義發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)功率為0dB，用FDTD仿真總場(chǎng)區(qū)電磁場(chǎng)分布，計(jì)算四種情況下接收天線和測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，為設(shè)計(jì)單天線干擾消除提供參

25、考。取空間步長(zhǎng)dx=/20=0.25cm，每個(gè)Yee元胞寬為0.25cm，即載波波長(zhǎng)的1/20。因此，在FDTD仿真中，半波天線尺寸為X×Y×Z=1×1×10個(gè)Yee元胞，屏蔽罩尺寸為X×Y×Z=1×3×12個(gè)Yee元胞，1/4波長(zhǎng)屏蔽罩距發(fā)射天線5個(gè)Yee元胞，1/2波長(zhǎng)屏蔽罩距發(fā)射天線10個(gè)Yee元胞，發(fā)射天線與接收天線和測(cè)試點(diǎn)的間距都為32個(gè)Yee元胞（8cm）。此外，工作區(qū)邊界另取40個(gè)Yee元胞。所以，三維總場(chǎng)區(qū)空間尺寸為X×Y×Z=144×81×90個(gè)Yee元胞，

26、見(jiàn)圖2所示。若加上完全匹配吸收邊界PML的8個(gè)Yee元胞，則FDTD計(jì)算區(qū)域約有160×106×97165萬(wàn)個(gè)Yee元胞，也就是說(shuō)，在三維FDTD+PML運(yùn)算的36個(gè)數(shù)組變量中，每個(gè)變量都支持165萬(wàn)個(gè)元素?？梢?jiàn)，F(xiàn)DTD是一種海量?jī)?nèi)存資源應(yīng)用的運(yùn)算，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求非常高。FDTD空間元胞參數(shù)設(shè)計(jì)好后，還必須滿足收斂條件下的時(shí)間參數(shù)。若取時(shí)間步長(zhǎng)為dt=dx/(2c)，則電磁波從發(fā)射天線傳播到最遠(yuǎn)PML吸收邊界邊緣，需要走過(guò)80個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，即算式至少要迭代80次才有意義，而時(shí)間迭代數(shù)越大迭代運(yùn)算的精度越高，同時(shí)計(jì)算機(jī)資源占用也呈幾何級(jí)數(shù)上升。所以，F(xiàn)DTD仿真時(shí)只能根據(jù)計(jì)

27、算機(jī)的性能設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間迭代數(shù)，圖2中的時(shí)間迭代數(shù)為300。屏蔽罩取金屬鋁，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率系數(shù)為3.72E+7西門(mén)子/米，具有良好的導(dǎo)電、電磁場(chǎng)屏蔽和電磁波反射性能。因收發(fā)天線Yee元胞為1×1×10個(gè)，實(shí)際體積為2.5×0.25×0.25cm3，屏蔽罩Yee元胞比發(fā)射天線在YZ方向各多出1個(gè)，實(shí)際面積為3×0.75cm2，因而可以布局在移動(dòng)終端，從圖2所示的電磁場(chǎng)分布圖中可以看到屏蔽罩的屏蔽效果和反射效果還是比較好的。圖2：三維總場(chǎng)區(qū)中Y為中間位置時(shí)XOZ平面的電磁場(chǎng)圖2所示為滿足上述空間、時(shí)間條件和迭代數(shù)為300時(shí)的FDTD仿真效果圖，分別表

28、示無(wú)屏蔽罩、屏蔽罩距發(fā)射天線1/4波長(zhǎng)和1/2波長(zhǎng)，以及發(fā)射和接收天線都為水平方式分布架構(gòu)下的信號(hào)強(qiáng)度分布圖?？梢钥闯觯瑳](méi)有金屬屏蔽罩時(shí)發(fā)射天線以0dB功率向外發(fā)射信號(hào)后，接收天線和測(cè)試點(diǎn)同時(shí)收到的信號(hào)強(qiáng)度都為-42dB，說(shuō)明發(fā)射信號(hào)自發(fā)射天線到相距8cm遠(yuǎn)處的接收天線時(shí)已降低了42dB。當(dāng)加上金屬屏蔽罩后，距發(fā)射天線1/4波長(zhǎng)位置最佳，接收天線處降低了48dB，測(cè)試點(diǎn)處只降低了39dB，與未加屏蔽罩相比，測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)增強(qiáng)了，接收天線處的信號(hào)減小了。圖2d中的場(chǎng)強(qiáng)仿真情況說(shuō)明直線天線輻射信號(hào)是一種電偶極振蕩信號(hào)，雖然波瓣角度較大，輻射方向不能調(diào)整，但接收天線平直正對(duì)發(fā)射天線處，恰好是發(fā)射信號(hào)強(qiáng)

29、度零處，與圖2a/b/c相比，具有較高的同時(shí)頻干擾消除效果，若能增加性能優(yōu)秀的屏蔽反射罩，可以收到更好的干擾消除效果。3.2半波天線陣列干擾消除分析若發(fā)射天線和接收天線都是半波天線陣列6，因?yàn)樘炀€陣列存在波束賦形效果，完全可以通過(guò)調(diào)整陣列參數(shù)，使發(fā)射信號(hào)波束的零點(diǎn)指向接收天線，從而達(dá)到提高天線干擾消除的目的。為此，我們通過(guò)半波天線方向圖函數(shù)來(lái)分析幾種典型的發(fā)射天線陣列，從中了解最佳陣列類(lèi)型及產(chǎn)生最佳波束的陣列參數(shù)。移動(dòng)終端的有限空間，決定了在移動(dòng)終端上使用半波天線陣列的基本條件，只能使用一維線陣和二維面陣，發(fā)射半波天線陣列與接收半波天線陣列只能放置在終端的上下方向位置。又因?yàn)椴捎玫氖前氩ㄌ炀€陣

30、列，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的建模方式是：發(fā)射天線采用二維平面半波天線陣列，接收天線采用一維平行振子半波天線陣列，見(jiàn)圖3所示?？梢钥闯?，二維平面半波天線陣列實(shí)際上是由一維平行振子陣和一維共軸振子陣組合而成。圖3：平行振子陣和平面陣結(jié)構(gòu)根據(jù)圖3，不管是一維平行振子陣列，還是二維平面陣列，統(tǒng)一設(shè)置：沿X軸分布的陣元數(shù)為Nx，沿X軸分布的陣元的間距為dx，沿X軸分布的陣元間激勵(lì)源的相位差為x；沿Z軸分布的陣元數(shù)為Nz，沿Z軸分布的陣元的間距為dz，沿Z軸分布的陣元間激勵(lì)源的相位差為z。由于半波天線陣列的方向圖函數(shù)滿足方向圖乘積定理，所以對(duì)應(yīng)的一維平行振子半波天線陣列的方向圖函數(shù)和二維平面半波天線陣列的歸一化方向

31、圖函數(shù)分別為：F1(,)=cos(/2cos)/sinsin(Nxx/2)/sin(x/2)/Nx(1)F2(,)=cos(/2cos)/sinsin(Nxx/2)/sin(x/2)/Nxsin(Nzz/2)/sin(z/2)/Nz(2)式中x=x+kdxsincos，z=z+kdzcos。顯然(1)式和(2)式都滿足方向圖函數(shù)的乘積定理。圖4：二維平面半波天線陣列不同參數(shù)時(shí)的方向圖當(dāng)通信主頻率與陣元數(shù)確定后，可改變二維平面半波天線陣列方向圖的參數(shù)只有dx、x、dz、z。圖4所示是在電磁波主頻率f=6GHz、Nx=2和Nz=2，以及這4個(gè)參數(shù)改變時(shí)分別得到的不同的波束方向圖。僅僅4個(gè)陣元的平面

32、半波天線陣列，就可以通過(guò)參數(shù)的調(diào)整得到在方位角方面的定向輻射波束、全向輻射波束和橢圓輻射波束，可以獲得既在上傾角方面定向、又在方位角方面全向的特殊輻射波束，顯然這些波束圖形可以適應(yīng)不同的輻射需求，其中圖4D所示方向圖更適合下方布局有采用同時(shí)同頻雙工技術(shù)的接收天線的設(shè)計(jì)方案，因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)更多的是全向指向上方的全向式輻射，信號(hào)強(qiáng)度的零點(diǎn)正對(duì)著下方的接收天線，既可滿足發(fā)射天線與基站間的全向式通信，又可降低或避免本地發(fā)射信號(hào)對(duì)本地接收天線的同時(shí)頻強(qiáng)自干擾。本地接收天線陣列采用一維平行振陣，并對(duì)發(fā)射信號(hào)適當(dāng)編碼，使接收天線能識(shí)別本地發(fā)射信號(hào)編碼，一方面可以提高接收天線對(duì)本地信號(hào)的抗干擾能力，另一方面還可

33、以采用MIMO中的接收分集技術(shù)提高接收天線的分集增益，或采用復(fù)用技術(shù)提高接收天線的復(fù)用能力。圖5所示為4發(fā)射天線與14接收天線系統(tǒng)在發(fā)收信號(hào)采用了通用STBC編碼方式后，不同信噪比下接收天線獲得的誤碼率曲線簇。可以看出，相對(duì)4根發(fā)射天線，接收天線越多，接收信號(hào)的性能越好。在同一信噪比值（如SNR=10dB）時(shí)，每增加1根接收天線可以使接收系統(tǒng)的誤碼率降低約1個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然，接收天線數(shù)量的增加，也會(huì)增大天線間的同頻干擾，為此除了要求使用 STBC編碼外，還要使陣元間距dx>/2或不得等于/2的整數(shù)倍，盡量拉開(kāi)陣元間距，減少陣元間的相關(guān)性。圖5：4發(fā)射天線和14接收天線系統(tǒng)性能4面向5G的射

34、頻干擾消除分析7根據(jù)移動(dòng)通信原理，承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過(guò)基帶調(diào)制后變?yōu)槟M信號(hào)，再經(jīng)過(guò)射頻調(diào)制從天線發(fā)出，在這個(gè)過(guò)程中，既要產(chǎn)生因電子電路造成的非線性信號(hào)失真，還要引入因無(wú)線信道開(kāi)放性添加的各類(lèi)噪聲，所以接收天線收到的信號(hào)是近端發(fā)射天線發(fā)送出去的參雜了失真和噪聲的模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)與發(fā)射端基帶調(diào)制前的數(shù)字信號(hào)完全不同，與發(fā)射端基帶調(diào)制后的模擬信號(hào)相比也是昨日黃花。更重要的是，在同一設(shè)備內(nèi)的發(fā)射天線與接收天線因相距太近，以至于遠(yuǎn)端發(fā)射天線送來(lái)的弱信號(hào)，完全有可能淹沒(méi)在近端發(fā)射天線送來(lái)的強(qiáng)干擾中，要想消除接收天線中的干擾信號(hào)的確不易，特別是同一設(shè)備內(nèi)發(fā)射天線送來(lái)的強(qiáng)干擾信號(hào)。由于面向5G的

35、同時(shí)頻全雙工系統(tǒng)的天線干擾消除方式有限，作為系統(tǒng)內(nèi)第一道自干擾消除的關(guān)鍵操作，射頻干擾抑制就尤為重要了。因?yàn)橥瑫r(shí)頻全雙工自干擾是近端接收天線受到近端發(fā)射天線的干擾，所以利用近端發(fā)射天線信號(hào)直接從近端接收天線中消除自干擾的射頻干擾消除方式，相對(duì)而言可以簡(jiǎn)單一些，甚至可以在射頻干擾消除中采用多次消除方式。因?yàn)榻税l(fā)射天線與接收天線之間的距離很小，無(wú)線環(huán)境保持固定，所以近端發(fā)射天線與近端接收天線之間的環(huán)境容易仿真。雖然QHx220模塊噪聲消除電路的消除能力只能達(dá)到30dBm，若能在前端增加一級(jí)環(huán)境仿真模塊來(lái)進(jìn)一步降低射干擾噪聲，有可能在QHx220模塊的基礎(chǔ)上再次消除十幾個(gè)dBm。射頻干擾消除實(shí)質(zhì)上

36、是利用噪聲消除芯片來(lái)消除干擾，典型的噪聲消除芯片QHx220可以從接收信號(hào)中消除已知的干擾信號(hào)，還能改變干擾參考信號(hào)的振幅和相位來(lái)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行干擾匹配，但QHx220模塊只能部分消除接收信號(hào)中的已知干擾信號(hào)。若能夠在QHx220噪聲消除級(jí)前，另外增加一級(jí)專(zhuān)用環(huán)境仿真模塊來(lái)消除干擾噪聲，使射頻干擾消除經(jīng)過(guò)兩級(jí)處理，使其突破30dBm的上限閾值，從而較大的提高射干擾消除能力。對(duì)于基站或終端的饋線系統(tǒng)而言，近端的發(fā)射天線與接收天線的距離很近，且無(wú)線環(huán)境固定不變，仿真信道的傳輸函數(shù)和高斯噪聲函數(shù)比較容易固化生成，若將其集成為一個(gè)專(zhuān)用環(huán)境仿真模塊，使之位于傳統(tǒng)射干擾消除模塊之前，當(dāng)接收信號(hào)進(jìn)入射頻系統(tǒng)

37、后，首先與通過(guò)環(huán)境仿真后的發(fā)射信號(hào)相差，理論上可消除大部分進(jìn)入接收天線中的近端發(fā)射信號(hào)。圖6：采用仿真模塊的射頻干擾消除原理見(jiàn)圖6所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的射頻干擾消除原理框圖，分為遠(yuǎn)端部分和近端部分，遠(yuǎn)端部分只標(biāo)出了發(fā)射模塊，近端部分標(biāo)出了發(fā)射模塊、接收模塊和射干擾消除模塊，為了仿真方便，發(fā)射模塊中只有串并變換、電平變換、載波調(diào)制和線性疊加等功能，接收模塊中有載波解調(diào)、濾波、判決、電平變換和并串變換等功能，射干擾消除模塊中包括了環(huán)境仿真和QHx220模塊的干擾消除的兩重作用?？梢钥闯?，不管是遠(yuǎn)端還是近端，兩個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)除了信號(hào)內(nèi)容和信號(hào)強(qiáng)度不同外，就是距離的遠(yuǎn)近不同，這兩個(gè)發(fā)射天線送給接收天線

38、的信號(hào)還有較大區(qū)別，但近端部分中的發(fā)射信號(hào)因僅通過(guò)近距離的天線發(fā)射和接收，其中和之間除了天線饋線和空口信道，沒(méi)有非線性有源電路，延時(shí)不大，環(huán)境仿真簡(jiǎn)單，從處取信號(hào)在處減去，當(dāng)然可以獲得較好的干擾消除效果。設(shè)hfar(t)、hnear(t)分別為遠(yuǎn)端發(fā)射天線和近端發(fā)射天線到接收天線間的傳輸函數(shù)，sfar(t)、snear(t)分別為遠(yuǎn)端發(fā)射天線和近端發(fā)射天線給接收天線間發(fā)射的有用信號(hào)和自干擾信號(hào)，n(t)為接收天線受到的高斯噪聲，則近端部分的接收天線收到的信息可以表示為：r(t)= hfar (t)sfar(t)+ hnear (t)snear(t)+ n(t)(3)由于自干擾信號(hào)hnear(t

39、)snear(t)與有用信號(hào)hfar(t)sfar(t)存在部分重疊，為了從接收信號(hào)中r(t)中檢出有用度信號(hào)sfar(t)，需要根據(jù)已知的干擾信息snear(t)，重建干擾信號(hào)hnear(t)snear(t)，將其消除，從而得到遠(yuǎn)端有用信號(hào)hfar(t)sfar(t)與高斯噪聲n(t)的和，再通過(guò)相關(guān)閾值進(jìn)行判決，解調(diào)出有用信號(hào)sfar(t)。在射頻干擾消除方式中，因?yàn)閮H僅局限在射頻范圍，后段電路沒(méi)有作用信號(hào)，甚至信號(hào)還沒(méi)有受到接收端的電路作用，所以(3)式的基本結(jié)構(gòu)組成沒(méi)有改變，如果通過(guò)環(huán)境仿真模塊的作用，使得接收端中到的這段信道能夠近似模擬出hnear(t)信道函數(shù)，從處提出部分近端發(fā)射信號(hào)snear(t)，理論上若將兩者相乘后與接收信號(hào)相差，就可以消除接收端射頻領(lǐng)域中的自干擾。然而現(xiàn)實(shí)中并非如此簡(jiǎn)單，因?yàn)樽愿蓴_信號(hào)hnear(t)snear(t)和有用信號(hào)hfar(t)sfar(t)中存在部分重疊情況，不可能在射頻領(lǐng)域完全消除自干擾，但可以消除大部分，圖7所示為理想情況下存在消除干擾信號(hào)時(shí)比沒(méi)有干擾信號(hào)時(shí)大6dB，說(shuō)