自干扰消除在5G和超5G中的应用.docx

自干扰消除在5g和超5g中的应用steven hong, joel brand, jung il choi, mayank jain, jeff mehlman, kumu networkssachin katti, and philip levis, kumu networks and stanford university摘要：自干扰消除使得一个在无线网络设计中的长期的基本假设变得无效，这个假设是无线电设备只能工作在同一频道的半双工模式下。实现真正的同频全双工，有效的加倍了频谱效率，sic大大简化了频谱管理。它不但放弃了像td-lte一样的过时的整个系统，而且使得未来的网络能够利用零散的频谱，这是一个将继续使5g网络恶化的紧迫的全球问题。自干扰消除提供了能够去补偿和维持5g技术向密集的异构网络演化的潜力，并且能够被用在无线通信系统的多个方面，包括增加链路容量、频谱虚拟化、任意分割双工（add）、新的中继方案和增强的干扰协调。由于它的基本特点的价值，自干扰消除将会对5g网络和超5g有很大的影响。引言 由于干扰的原因，无线电收发机在同样的频带下去接收和发射一般是并不可能的。(andrea goldsmith,无线通信【1】) 以上的引用获得了一个在无线系统设计中的长期的假设：无线电收发器不得不在同一频道下工作在半双工模式（例如，发送或者接收的，但不是同时发生）。最近的工作一直在试图否定这个假设。斯坦福【2-5】和莱斯【6】大学的研究者和几个其他在业界【7】和学术界【8,9】的组织都曾经提出多种多样的设计去建立同频全双工的无线电传播模式。如果可能，全双工会对网络部署有巨大的影响；例如，它能够使得蜂窝网的频谱效率加倍。今天lte频分双工用了两个分离的信道，一个是上行信道和一个是下行信道，能够使得无线电传播实现全双工。在一个同频全双工系统情况下，一个单一的信道能够获得同样的性能，立即就会使值数十亿美元的频谱财产的价值加倍。 为什么全双工很难去实现呢？当一个无线电设备发射一个信号，这信号能量中的一些能够被它自己的接收器接收到。因为它是自己产生的，这些无用的自干扰能量比那些预期的接收信号强数十亿倍（100db+）。试着在同一时间同一信道去发射和接收信号就相当于当扯着嗓子大喊时试着去听一个耳语。这是一个知名的并且未解决的问题；每一个无线电设备都曾经被设计成以一个给予的频率或者发射或者接受信号，绝不会同时都发生，来去避免自干扰。 考虑到自干扰使得半双工运作成为必要，如果无线电传播能够完全消除自干扰，未来的5g无线网络将会怎样变化？随着几个组织在真实环境下演示的生动的自干扰消除结果，业界和学术界都已经在自干扰消除(sic) 方面取得巨大的进步。再加上对这个主题的知识体系的不断的扩展，一些人认为这是一个sic性能什么时候将使得全双工变成事实的问题，而不是是否sic性能将使得全双工变成事实的问题。虽然我们简短的回顾了sic架构和性能上的最先进的技术，但这篇文章的目的不是去探讨自干扰的复杂的模型，也不是去评估不同消除技术的有效性，因为关于这两方面有很多写得好的文章。相反，我们的目的是去探索sic的长期的和短期的影响，sic在5g和超5g的有限的频谱资源内能够去支持未来的数据损耗、无缝全球漫游、高通量服务和低延迟应用成本效率的要求。 sic提供了能够去补偿和维持5g技术向密集的异构网络演化的潜力，并且能够被用在无线通信系统的多个方面，包括：增加链路容量：理论上，真实的全双工相对于传统的半双工使得链路容量加倍，因为可获得的频谱资源能够被充分的利用在时间和频率上。频谱虚拟化：全双工是两个信道被完全重叠的极端情况，但是sic能够隔离任何一对发射和接收频率。本质上，它能够作为一个可以简化和减少支持多个分散频率成本的软件控制双工器，能够有效地使得无线电设备去利用零散的频谱。任意分割双工（add）：sic消除了tdd和fdd之间的区别。tdd是过时的，可被同频全双工取代，然而老的fdd大大受益于sic的可配置性，成为自适应的和能够灵活的载波聚合。新的中继方案：在回程和接入中的频谱资源同步复用可能伴随着自干扰消除，使几乎瞬时重传和对于异构网络的高通量网络操作成为可能。增强的干扰协作：当传送数据能够减少空中接口的延迟和对于干扰协作技术的更严格的时间/相位同步，干扰协作技术例如协作多点（comp）传输，同时接收反馈信息（例如，控制信道信号）。实际上，即使当sic性能足以使全双工无线成为可能，sic在未来5g网络中的潜在应用和其他应用将取决于监管机构认可。监管机构认可包括标准的采用（例如，5g）也还有被监管机构所管理的频谱政策转变，这两个一起行动将使不同的角色（即，手机和基础设施的原始设备制造商，oem）合作，允许各方充分利用网络效应和收益递增。并不是所有的应用都需要修改标准；事实上，一些什么都不需要。自干扰是一种限制所有半双工系统性能的现象，并且sic能够被立即利用去解决一些这样的问题。图1显示了不同的应用关于标准化需求方面怎样受到sic不同程度的影响，并且你能够看到几个应用即使没有修改标准也能够大大地受益。在这篇论文中，我们评估sic对不同应用的潜在影响作为这个向量函数，以在讨论那些需要5g标准的应用之前不需要修改标准的应用作为开始。我们以一个更广泛的观点完成sic超5g蜂窝网络的应用的讨论。我们首先讨论了一个sic解决方案的总体架构来设计了这个过程，强调了性能和集成的驱动程序。然后我们开始应用，这些应用可以利用绝对没有任何改变或修改现有的标准或基础设施的sic。在这些应用中，我们规定它们以在向前发展到能够被应用到手机端的那些应用之前的那些被应用到基础设施的应用作为开始。最后，我们从谈论sic在5g中的长期的影响推断出监管机构认可的不同程度的影响，并且我们认为的什么将是推进标准和频谱政策被采用的转折点。sic架构：成本和集成驱动为什么自干扰很难去消除？毕竟，发送者知道信号正在被发射，所以消除它应该实现起来很简单。实际上，这种抽象是不正确的：虽然无线电设备知道这些没被干扰的发射数字基带信号，一旦信号被转换为模拟信号和向上调制到正确的载波频率，发射的信号就会看起来十分不同于它的基带信号。在无线电发射链中的众多的模拟器件使得信号线性失真和非线性失真（例如，模拟电路将要创建立方和高阶分量的信号），增加它们自己的噪声（例如，功率放大器增加了发射噪声），是稍微不正确的（例如，一个震荡器调谐稍微偏离了2.45ghz）,或者在不同频率不同数量的延迟等等。实际上，发射信号是一个伴随着未知噪声的理想发射信号的复杂非线性函数。不出所料，没有计算所有这些模拟失真就天真地减去一个“已知的”基带发射信号确实不凑效。【2】。任何sic架构的目标是去仿真和预测这些失真以便于这能够在接收器端补偿它们【2】。有两种需要必须处理的影响：接收机饱和和非线性自干扰。如果输入信号超出一个被它们的模数转换器（adc）分辨率所决定的特定的水平，无线电设备中的接收器链就会饱和。即使接收器有无限的动态范围并且不会饱和，然而泄露的自干扰看起来不再像发射的基带信号，包括几个明显高于基带噪声的非线性谐波分量。数字处理中的任何消除一定要模拟这些失真并且随着时间的变化而调整。因此，任何一个消除架构一定要遵循一个混合信号设计；为了去阻止接收器饱和，干扰信号在它命中到低噪声放大器（lan）（图2中蓝色显示部分）之前一定要被完全消除在射频端的模拟转换器中。为了去完全地消除这个剩余的数字信号干扰，运作在收发器和基带调制器之间的数字基带iq样本一定要模拟所有的非线性失真（图2中紫色显示部分）。一个sic解决方案集成的成本和难易主要是由射频消除电路的大小和复杂性所决定。射频消除电路能够实现从一个离散的板级解决方案到一个多芯片模块（mcm）再到一个单芯片射频集成电路（rfic）。在另一方面，因为最先进的数字消除算法是相似于数字预失真（dpd），所以它们很容易被集成，而从资源需求和集成的角度来看，dpd是一个存在于大多数无线通信系统中的越来越普遍的特征。不需要修改标准的应用大部分的蜂窝电话产业的成功可以归因于标准的发展和应用，这是一个对技术变革的速度和方向有重要影响的核心的校准机制，同时这些产业会成为新的突破性技术变革的结果。采取高通的码分多址（cdma）技术：这个技术是当gsm已经达到一个关键时刻时被倡导的，并且绝不再是一个2g标准的部分。尽管如此，该技术在受限的cdma网络已经被商业化，这是一个能证明功率控制的重要的胜利，功率控制是一个对cdma系统单一的最大的工程性挑战并且能够被控制。当关于3g标准的技术被考虑，cdma技术就会作为领路者出现，并已经证明了它的技术优点。最新一代的移动通信网络被这个在单信道内无线电传播一定是半双工模式的长期的假设所限制。因此，今天每一个现有的标准运作在tdd或fdd方式。同频带全双工运作可能有明显的和无可争辩的优点，但类似cdma出现的这种情况，标准是不可能采用全双工无线模式，直到sic技术在一个成功部署的实际的系统中证明它的优点。自干扰是一种出现在许多情况下的现象，甚至在半双工系统中。如图3所示，对于fdd系统，例如：即使当无线电发送和接收在不同的信道，传输干扰仍旧影响接收机，除非它在模拟的收发器前端被过滤。然而，滤波器只能工作在狭窄地预定义的固定带对配置，并且经常在大功率应用中过大而且重。然而，他们继续在无线接入系统中发挥关键作用，因为自干扰必须要被处理。自干扰消除解决了同样的问题，但频率是不可知的-你可以调谐到不同的频率。此外，自干扰消除使您可以发送和接收在多个频段。这不仅使自适应fdd滤波器成为可能，而且它大大简化了像载波聚合的应用射频前端，并且使无线电设备能够做出更小，更轻，更高效的滤波器。以上的例子只是一个sic本身没有任何标准的修改就能够被用来实现巨大的网络利益的实例。在本节中，我们接触了几个没有任何标准的修改就可以利用sic技术立即解决存在的问题的应用。这些应用对成本和整合的敏感性不同，所以为了组织的目的，我们在讨论那些或许需要一个集成的设计的应用之前首先涉及那些能够吸收一个离散的消除解决方案的应用。所有在本节所讨论的应用都不需要修改任何现有的标准。复用用于回程的接入频谱，消除与小蜂窝网回程有关的挑战小蜂窝网和异构网络代表一种很有前途的系统概念，这能够使5g网络支持所需的1000每单位面积的高移动数据量，凭借它们的更小的广播信号覆盖区使频谱资源在空间上可被重复利用。小蜂窝网通常依赖于带外资源（光纤，微波，等等）用于回程，但这已成为一个严重的挑战，因为有线连接的成本是高昂的，微波回程需要视线，并且在非视距（nlos）的城市环境支持良好的传播的低频率是完全没有的。解决这一困境的一个可能的解决方案是利用同一无线接入网频谱，同时，对于接入和回程使用lte协议如图4所示。在下行信道，当小蜂窝网发送信号到用户设备（ue）同时将会接收到从宏基站传来的信号。在上行通道，当小蜂窝网发送数据到宏基站同时将会接收到从用户设备（ue）传来的信号。在这种方式中，小蜂窝网能有效地回程本身，完全的去除了对一个分离的回程解决方案和一个单独的频带（是否授权或未经许可）的需要，显著地降低了扩展小蜂窝网的成本和复杂性。随着sic的应用，接入和回程链路都将像标准fdd一样运作，这意味着宏基站或ue端没有变化或者额外的基础设施也将能够实现。此外，无线接入网（ran）频谱是理想的；lte覆盖相当普遍，其低频率使得它对于nlos运作是完美的。然而，当涉及到评估回程的选择时主要标准可归结为它能够传送数据的能力。在这里，有些奇怪的是，自回程的小蜂窝网解决方案的执行几乎与用了光纤的小蜂窝回程一样。图5突出了直观感觉：今天的release -8 / 9宏网络旨在提供约5b /秒/ hz的频谱效率，在20兆赫的带宽大约有100 mb / s的速率。然而，来自几个全球运营商 10,11 的经验数据表明一个典型的繁忙时间网络实际上被严重低估：网络通常按1.25 b / s / hz的频谱利用率传送信号到某个地方，这个数字相当于无线接入网利用率的约25 mb / s或百分之二十五。自回程小蜂窝网利用这些未充分利用的资源回传数据。凭借它们的更大的形状因素和静态/固定的部署位置，自回程小蜂窝网是能够比等价的用户端设备手机实现更高的频谱效率。未来5g标准正趋向于通过高阶的多输入多输出（mimo）增加空间复用的水平，具有44和88 的mimo（具有相应的30b/s/hz的频谱效率）已经被指定在lte release -10 10 。虽然大多数的ue由于其受限的尺寸和功率将不可能支持这些高阶mimo模式。但一个大结构的小蜂窝网将毫无疑问的支持更多的天线数量-在同样的频谱资源下能够直接的转化为比ue所获得的更有效的使用率。此外，更大的结构允许更大的定向回程天线，以增加增益。ue设备通常有小于2 dbi的天线增益，并且正常的运作模式被人类的附属物所阻碍。利用增益达到17 dbi的天线的小蜂窝网不是不可能的，又使宏基站到小蜂窝网的链路比一个相似的宏基站到ue端的链路运作在一个更高的调制和编码机制（mcs）。自回程小蜂窝网能有效地使网络运营商能够更有效地利用昂贵的已经部署的宏网络。从接入角度，小蜂窝网提供是否它们是带外回程或带内回程的相同的性能。这两个之间的性能差异是在于回程链路是有多么的高效，因为这决定了多少宏网络资源必须被消耗去回传数据。但是正如我们已经表明的，lte的趋势有利于回程链路的持续改进，这将进一步缩小这种差距。提高信道容量和降低对回程点对点解决方案的频谱要求微波（载波频率在6到60 ghz之间的无线系统）是广泛地被应用于宏蜂窝回程，在2013年包括超过全球一半的回程连接。对于许多服务提供商来说，频谱牌照在他们的回程网络中已经代表了最大的经常性费用之一，占一个回程网络运营商的10年期的总拥有成本的百分之四十。看看未来的5g容量的要求，在那里将要需要数百兆或更多，为了去确保这些回程网络的持续的经济可行性，提高频谱效率将是必要的。在调制深度上未来的进步是可能的，但这是一个收益递减的情况。例如，从256-正交幅度调制（qam）到512-qam增加了显著的成本和复杂性，但只在吞吐量上增加了百分之十二。此外，更高的调制率需要更大的输出控制，这将复杂化系统的信息采集。因此，更高的调制不能单独实现需要支持先进的5g服务的容量和频谱效率。一种能够在现有的频谱分配情况下有效的加倍信道容量的方法是利用在相同射频信道下的全双工通信。点对点回程调制解调器的专有性质将使自干扰消除不用修改任何标准就能够被采用，在现有的频谱分配情况下能够有效的加倍信道容量。相比长期运行产生的花费，由离散的sic硬件所引起的额外的花费应该将会是最低的。在欧洲，那里的频谱租赁费用是在每一链路基础上计算的，频谱使用量和成本之间有着直接的关系，因此为了减少许可费用去降低频谱要求是很重要的。在如南亚和拉丁美洲地区，那里的无线运营商获得对于一个给定的频带的区域许可证，全双工运作是特别有吸引力的，因为减少使用信道的数量能够显著降低频谱成本。在这两种案例下，在更小的和更便宜的信道下提高频谱效率是至关重要的。蜂窝网基础设施和移动电话下的多频带自适应双工器由于目光短浅的lte监管规划蜂窝网频谱碎片已成为一个主要的全球问题。今天大多数lte 部署的是fdd模式，为了应对自干扰需要一个静态的专门为一个上行/下行链路预定义的双工器。今天，全世界有超过40种不同的lte频段配对，这是一个不可能支持任何移动手机的数字，限制了全球lte漫游。随着载波聚合（ca）以指数形式增加所需要的波段组合的数量，这个问题将仅仅使前进路径恶化。如图6左边所示。同样，和多频段支持引起关于基站无线电基础设施的问题，这通常利用大而重的腔体滤波器去实现增强的分离的必要的高功率放大器。基站的无线基础设施通常是被安装在租金昂贵的塔空间的顶部；因此，在减小尺寸和重量方面有一个额外费用。支持带有多腔体滤波器的ca最多是一个昂贵的和没有吸引力的建议，最坏的情况这是一个在密集的大都市地区缺乏塔空间的不可能的任务。自干扰消除大大简化了像载波聚合这样的应用的射频前端，使无线电设备具有更小、更轻、更高效的滤波器。因为自干扰消除是与频率无关的，一个单一的消除电路可编程式的调谐到分离的不同的频率集，像软件配置的双工器一样有效地执行。这样的一个解决方案不仅能够用一个单一的集成解决方案取代不同的芯片来使手机制造商去节约成本，如图6所示，而且能够使网络漫游变得容易和使消费者更容易地切换网络运营商，由于服务供应商之间的竞争加剧将可能改善服务质量。5g标准化 全双工5g通信由于稀缺的频谱资源，频谱碎片将被复用在5g中。这个问题是被成对频谱的双工需求所加剧，使得分配fdd频谱非常困难。这个问题已经造成了相对低效的4g 中的tdd标准，旨在让运营商使用一个单一未成对频率。虽然tdd相对于fdd在某些方面牺牲了性能，但是增加的灵活性和利用不成对频率的低成本已经使得几个全世界的运营商去接受了性能的权衡。随着sic技术达到成本成熟点，使它能够被集成到手机和基站基础设施，它避免了对tdd频谱固有权衡的需要。对于同频全双工，运行在非成对频谱上的网络能够在一个信道上同时发射和接收。换句话说，它允许fdd运作在更便宜的非成对频谱上，传统地分配tdd运作的频谱，没有任何的性能权衡就简化了频谱管理。关于频谱政策，从频谱分配、射频一致性、发射标准角度看，对于同频全双工的要求与td-lte一致。由于td-lte的流行的证明，分配不成对频谱大大简化了频谱管理和大大增加5g网络的可用频谱池，由于未成对的频率是更容易获得，适用于重整非对称频谱。5g频谱的虚拟化试图协调全球频谱计划已经失败了一次又一次，因为在一个国家或地区能产生很好效果的事物不会总是在另一个区域也有好的效果。虽然利用一半数量非成对频谱的能力能够去获得像fdd简化频谱管理的相同的性能，但它只是一个sic能够怎样被利用的具体实例。更加普遍的观点是sic技术本质上是作为一个自适应双工器，允许频带任意组合，无论是成对或不成对的，都能够被用在精确的同样的模式。作为一个软件定义的滤波器，它可以有效的允许任何分割双工（add），消除tdd、fdd和同频全双工之间的区别，因为它们任意一个都能够被利用sic的射频前端支持。tdd会变得过时，取而代之的是同频全双工，虽然旧的fdd系统可能仍然存在，但利用sic去聚集和适应多个不相交的频率将会获益。在本质上，自干扰消除作为一个能够使任何随机信道集合被聚集的软件配置的滤波器，将会虚拟化频谱的使用。对于未来的5g网络，其言下之意是首先全球频谱统一将会可获得，由于大规模经济效益的增加将会促进国际漫游和减少移动设备的成本。全球统一频谱计划的积极的经济影响将是巨大的-被一些组织像gsm协会（gsma）估计有数百亿美元。运营商能够进一步利用便宜的不均匀的穿越不同地区的频谱碎片，今天这些被利用在经济上是不可行的，但能够获得明显的带宽增加。例如，这将使5g网络能够去利用从模拟到数字广播转换所释放的空白频段。今天的空白频段的问题是频谱仅仅能够在不同时间和空间的狭窄的信道获得。因此，这仅有的现在能够在频谱环境下被讨论的应用是机器对机器通信，这需要非常低的能够被单一的信道处理的吞吐量。配备启用sic的软件可配置滤波器的无线电设备将能够去聚集任意随机的空白信道集合来支持高带宽的吞吐量，本质上就是今天不起眼的频谱财产并且将会把它变成黄金海滨房地产。gsma协会估计高质量频谱的获得将值数万亿美元的额外的国内生产总值（gdp）。结论自干扰消除使一个长期的在无线网络设计中的假设无效，这个假设是无线电设备在同一个频道下只能工作在半双工模式下