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自干扰消除（SIC）在5G和超5G中的应用,1.SIC应用的背景和意义,2.SIC架构：成本和集成驱动,3.不需要修改标准的应用,4.SIC对5G的影响,5.结论,SIC应用的背景和意义,以上的引用得到了一个无线通信网络设计中的一个基本的假设：无线电设备只能工作在同一频道的半双工模式或不同信道全双工模式。因此，目前的无线通信系统设备无一例外的采用时分或频分技术来实现上下行链路双向通信，如图1所示。单一的上行链路或下行链路无法实现全双工通信。在无线频谱资源日益紧张的今天，如何有效的利用有限的频谱资源是一个比较重要的问题。,由于干扰的原因，无线电设备在同样的频带下去接收和发射一般是并不可能的。(AndreaGoldsmith,无线通信),图1,如果无线传输能够完全消除自干扰，未来的5G无线网络将会怎样变化呢？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，SIC在5G和超5G的有限的频谱资源内能够去支持未来数据损耗、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、频谱虚拟化、任意分割双工（ADD）等。,SIC应用的背景和意义,为什么同频全双工很难去实现呢？当一个无线电设备发射一个信号，这信号的一部分能够被它自己的接收器接收到。这些无用的自干扰信号比那些预期的接收信号强数十亿倍（100dB+），如图2所示。,图2,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被实现。然而一些应用需要修改标准。,图1,SIC在未来5G网络中的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）也还有监管机构管理的频谱政策变化。但并不是所有的应用都需要修改标准，事实上，一些应用什么都不需要。,SIC架构：成本和集成驱动,为什么自干扰很难去消除？有两种影响需要处理：接收机饱和和非线性自干扰。如果输入信号超出一个被模数转换器（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。即使接收器不饱和，一旦无线发射信号被转换为模拟信号和向上调制到正确的载波频率，无线发射链中的模拟器件就会使得信号线性失真和非线性失真。没有计算所有这些模拟失真就直接减去一个“已知的”基带发射信号确实没效果。而SIC架构的目标就是去仿真和预测这些失真以便于能够在接收器端补偿它们。,图2,为了去阻止接收器饱和，自干扰信号在它抵达到低噪声放大器（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。为了完全地消除数字信号干扰，运作在收发器和基带调制器之间的数字基带IQ信号样本一定要模拟所有的非线性失真（图2中紫色显示部分）。,SIC架构：成本和集成驱动,一个SIC解决方案集成的成本和难易程度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。然而以下的例子是一个SIC应用没有修改任何标准就能够被用来实现巨大的网络利益的实例。,图3,自干扰是一种出现在许多情况下的现象。如图3所示，对于FDD系统，例如：即使当无线设备在不同的信道发送和接收，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，并且经常在大功率应用中体积过大而且重。自干扰消除解决了这样的问题，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。,不需要修改标准的应用,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是种很有前途的系统概念，这能够使5G网络支持很高的移动数据量，凭借它们更小的广播信号覆盖区可使频谱资源在空间上被重复利用。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）的城市环境能支持良好传播的低频率是完全没有的。,图4,解决此困境的一个可能的解决方案是利用同一频谱，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自己，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。,图5,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。图5突出了一个直观的感觉：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100Mb/s的速率。然而，经验数据表明网络实际上被严重低估：网络通常按1.25B/S/Hz的频谱利用率传送信号，这个数字相当于无线接入网利用率的约25Mb/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和固定的部署位置，能够比等价的用户端设备实现更高的频谱效率。,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60GHz之间的无线系统）是广泛地被应用于宏蜂窝回程。对于许多服务提供商来说，频谱牌照占一个回程网络运营商的十年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经济可行性，提高频谱效率将是必要的。,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。,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LTE监管规划不当，蜂窝网频谱碎片已成为一个全球问题。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。全世界有超过40种不同的LTE频段配对，限制了全球LTE漫游。随着载波聚合（CA）以指数形式增加，这将使这种情况更加恶化。如图6左边所示。,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运行。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。,图6,SIC对5G的影响,由于稀缺的频谱资源，频谱碎片将被复用在5G中。这个问题被成对频谱的全双工需求所加剧，使得分配FDD频谱非常困难，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。随着SIC技术达到成熟，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，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，分配不成对频率大大简化了频谱管理和大大增加5G网络的可用频率池，由于未成对的频率是更容易获得，适用于重整非对称频谱。,全双工5G通信,5G频谱的虚拟化,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。作为一个软件定义的滤波器，它可以有效的允许任意分割双工（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，将会虚拟化频谱的使用。对于未来的5G网络，首先将可能取得全球频谱统一，然后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且不均匀的分布在不同地区的频谱碎片，然而今天这些碎片被利用在经济上是不可行的，但能够明显增加带宽。例如，这将使5G网络能够去利用模数转换所释放的空白频段，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。,结论,近百年来半双工无线模式的限制在标准、应用和结构方面已经固定下来。自干扰消除技术移除了这一障碍，不仅从根本上改变了无线电是怎样被建成，而且改变的还有标准和监管机构将怎样进行频谱管理。对于SIC，未来5G无线应用的实现将会显著降低每个参与者的成本：监管机构，运营商，设备制造商和消费者。,有几家公司正在利用Adhoc卫星网络或无线连接的气球来提供星球上剩余的并且没有任何网络接入的价值数十亿美