Отмена самоинтерференции - Self-interference cancellation

Подавление собственных помех (SIC) это обработка сигнала метод, который позволяет радиоприемнику одновременно передавать и принимать по одному каналу, паре частично перекрывающихся каналов или любой паре каналов в одной полосе частот. При использовании для одновременной передачи и приема на одной и той же частоте, иногда называемого «внутриполосным полнодуплексным» или «одновременной передачей и приемом», SIC эффективно удваивает спектральная эффективность. SIC также позволяет устройствам и платформам, содержащим два радиомодуля, которые используют одну и ту же полосу частот, работать с обоими радиостанциями одновременно.

Подавление самоинтерференции находит применение в мобильные сети, нелицензионные группы, кабельное ТВ, ячеистые сети, военная и общественная безопасность.

Внутриполосный полнодуплексный режим имеет преимущества перед обычными схемами дуплексной связи. Система дуплексной связи с частотным разделением (FDD) передает и принимает одновременно, используя два (обычно широко разделенных) канала в одной и той же полосе частот. Внутриполосный полнодуплексный режим выполняет ту же функцию, используя половину ресурсов спектра. Система дуплексной связи с временным разделением (TDD) работает в полудуплексном режиме на одном канале, создавая иллюзию полнодуплексной связи за счет быстрого переключения между передачей и приемом. Внутриполосные полнодуплексные радиостанции достигают вдвое большей пропускной способности, используя те же ресурсы спектра.[1]

Методы

Радиоприемопередатчик не может нейтрализовать свой собственный сигнал передачи, основываясь исключительно на знании того, какая информация отправляется и как строится сигнал передачи. Сигнал, который видит приемник, не совсем предсказуем. Сигнал, поступающий на приемник, может иметь различные задержки. Он состоит из комбинации утечки (сигнал, идущий непосредственно от передатчика к приемнику) и локальных отражений. Кроме того, компоненты передатчика (такие как смесители и усилители мощности) вносят нелинейности, которые генерируют гармоники и шум. Эти искажения должны регистрироваться на выходе передатчика. Наконец, решение для подавления самоинтерференций должно обнаруживать и компенсировать изменения в реальном времени, вызванные колебаниями температуры, механическими вибрациями и движением предметов в окружающей среде.[2]

Сигнал передачи может быть отменен на приемнике путем создания точной модели сигнала и использования ее для генерации нового сигнала, который в сочетании с сигналом, поступающим на приемник, оставляет только желаемый принимаемый сигнал. Точная величина требуемого подавления будет варьироваться в зависимости от мощности передаваемого сигнала, который является источником собственных помех, и отношения сигнал / шум (SNR), которое, как ожидается, линия связи будет обрабатывать в полудуплексном режиме. Типичный показатель для приложений Wi-Fi и сотовой связи составляет 110 дБ подавления сигнала, хотя для некоторых приложений требуется более сильное подавление.

Для отмены локального сигнала передачи требуется комбинация аналоговой и цифровой электроники. Сила передаваемого сигнала может быть умеренно снижена до того, как он достигнет приемника, с помощью циркулятора (если используется общая антенна) или методов изоляции антенны (например, кросс-поляризации), если используются отдельные антенны. Аналоговый компенсатор наиболее эффективен при обработке сильных сигналов с небольшим разбросом задержки. Цифровой компенсатор наиболее эффективен при обработке слабых сигналов с задержкой более 1000 наносекунд. Аналоговый компенсатор должен обеспечивать подавление не менее 60 дБ. Цифровой компенсатор должен обрабатывать как линейные, так и нелинейные компоненты сигнала, создавая подавление около 50 дБ. И аналоговые, и цифровые компенсаторы состоят из ряда «ответвлений», состоящих из аттенюаторов, фазовращателей и элементов задержки. Стоимость, размер и сложность решения SIC в первую очередь определяется аналоговым каскадом. Также важны алгоритмы настройки, которые позволяют компенсатору адаптироваться к быстрым изменениям. Алгоритмы отмены обычно должны адаптироваться с периодичностью раз в несколько сотен микросекунд, чтобы не отставать от изменений в среде.[3][4]

SIC также может использоваться для уменьшения или устранения помех по соседнему каналу. Это позволяет устройству, содержащему два радиомодуля (например, точке доступа Wi-Fi с двумя радиомодулями 5 ГГц), использовать любую пару каналов независимо от разделения. Помехи по соседнему каналу состоят из двух основных компонентов. Сигнал на частоте передачи, известный как блокиратор, может быть настолько сильным, что снижает чувствительность приемника, прослушивающего соседний канал. Сильный местный передатчик также производит шум, который распространяется на соседний канал. SIC может использоваться для уменьшения как блокировщика, так и шума, который в противном случае мог бы препятствовать использованию соседнего канала.

Приложения

Внутриполосный полный дуплекс

Передача и прием на одной и той же частоте в одно и то же время имеет несколько целей. Внутриполосный полный дуплекс потенциально может удвоить спектральную эффективность. Это позволяет работать в полном дуплексе, когда доступна только одна частота. И это позволяет работать в режиме «слушаю во время разговора» (см. Когнитивное радио ниже).

Интегрированный доступ и обратная связь

Хотя ожидается, что для питания большинства малых ячеек используется оптоволоконный кабель, использование оптоволокна не всегда практично. Повторное использование частот, используемых малой сотой для связи с пользователями («доступ») для связи между малой сотой и сетью («обратное соединение»), будет частью стандартов 5G 3GPP. При реализации с использованием SIC сигнал передачи местной транзитной радиостанции подавляется на приемнике малой соты, а сигнал передачи малой соты подавляется на приемнике локальной транспортной радиостанции. Никаких изменений в пользовательских устройствах или в системе удаленного транзитного рейса не требуется. Использование SIC в этих приложениях было успешно протестировано на практике Telecom Italia Mobile и Deutsche Telekom.[5][6]

Спутниковые ретрансляторы

SIC позволяет спутниковым ретрансляторам расширять зону покрытия до помещений, городских каньонов и других мест за счет повторного использования тех же частот. Ретранслятор этого типа представляет собой два радиомодуля, соединенных последовательно. Одно радио обращено к спутнику, а другое - к зоне, не находящейся в прямом покрытии. Два радио передают сигналы (а не биты данных с промежуточным хранением) и должны быть изолированы друг от друга, чтобы предотвратить обратную связь. Радиоприемник, обращенный к спутнику, слушает спутник и должен быть изолирован от передатчика, повторяющего сигнал. Аналогичным образом, радиоприемник, обращенный к помещению, слушает пользователей, находящихся внутри помещения, и должен быть изолирован от передатчика, который повторяет их сигналы на спутник. SIC может использоваться для подавления сигнала передачи каждой радиостанции на приемнике другой радиостанции.

Полнодуплексный DOCSIS 3.1

Кабельные сети традиционно выделяют большую часть своей пропускной способности для передачи в нисходящем направлении. Недавний рост пользовательского контента требует увеличения пропускной способности. Cable Labs разработала стандарт Full Duplex DOCSIS 3.1, обеспечивающий симметричное обслуживание со скоростью до 10 Гбит / с в каждом направлении. В DOCSIS 3.1 для восходящей и нисходящей передачи выделяются разные частоты, разделенные защитной полосой. Полнодуплексный DOCSIS устанавливает новую полосу, позволяющую смешивать восходящие и нисходящие каналы на соседних каналах. Головная станция должна поддерживать одновременную передачу и прием в полнодуплексном диапазоне, для чего требуется технология SIC. Кабельные модемы не обязаны передавать и принимать по одним и тем же каналам одновременно, но они должны использовать разные комбинации восходящих и нисходящих каналов в соответствии с инструкциями головной станции.[7]

Беспроводные ячеистые сети

Mesh-сети используются для расширения зоны покрытия (для покрытия всего дома) и для создания специальных сетей (экстренная связь). В беспроводных ячеистых сетях используется ячеистая топология для обеспечения желаемого покрытия. Данные перемещаются от одного узла к другому, пока не достигнут пункта назначения. В ячеистых сетях, использующих одну частоту, данные обычно пересылаются с сохранением и пересылкой, причем каждый скачок добавляет задержку. SIC может позволить узлам беспроводной сети повторно использовать частоты, чтобы данные повторно передавались (ретранслировались) по мере их получения. В ячеистых сетях, использующих несколько частот, например, в домашних сетях Wi-Fi, использующих «трехдиапазонные» маршрутизаторы, SIC может обеспечить большую гибкость при выборе канала. Трехдиапазонные маршрутизаторы имеют один радиомодуль 2,4 ГГц и один радиомодуль 5 ГГц для связи с клиентскими устройствами и второй радиомодуль 5 ГГц, который используется исключительно для связи между узлами. Большинство трехдиапазонных маршрутизаторов используют одну и ту же пару каналов 80 МГц (на противоположных концах диапазона 5 ГГц) для минимизации помех. SIC может позволить трехдиапазонным маршрутизаторам использовать любой из шести каналов 80 МГц в диапазоне 5 ГГц для координации как внутри сетей, так и между соседними сетями.

Военная связь

Военным часто требуется несколько радиостанций высокой мощности на одной и той же воздушной, наземной или морской платформе для тактической связи. Эти радиостанции должны быть надежными даже в условиях помех и помех противником. SIC позволяет нескольким радиостанциям работать на одной платформе одновременно. SIC также имеет потенциальное применение в военных и автомобильных радарах, позволяя радиолокационным системам передавать и принимать непрерывно, а не постоянно переключаться между передачей и приемом, обеспечивая более высокое разрешение. Эти новые возможности были признаны потенциальной «сверхдержавой» для вооруженных сил, которая может привести к смене парадигмы в тактической связи и радиоэлектронной войне.[8][9]

Совместное использование спектра

Национальные регулирующие органы, такие как Федеральная комиссия связи в США часто удовлетворяют потребность в дополнительных ресурсах спектра, разрешая совместное использование недостаточно используемого спектра. Например, миллиарды Wi-Fi и блютуз устройства конкурируют за доступ к Диапазоны ISM. Смартфоны, маршрутизаторы Wi-Fi и концентраторы умного дома часто поддерживают Wi-Fi, Bluetooth и другие беспроводные технологии на одном устройстве. Технология SIC позволяет этим устройствам одновременно работать с двумя радиостанциями в одном и том же диапазоне. Совместное использование спектра - тема, представляющая большой интерес для индустрии мобильных телефонов, поскольку она начинает развертывать системы 5G.

Познавательное радио

Радиостанции, которые динамически выбирают свободные каналы для более эффективного использования ограниченных ресурсов спектра, являются предметом значительных исследований. Традиционные схемы совместного использования спектра основаны на протоколах "слушай перед разговором". Однако, когда два или более радиостанций выбирают одновременную передачу по одному и тому же каналу, возникает конфликт. Для обнаружения и разрешения столкновений требуется время. SIC позволяет слушать во время разговора, обеспечивая немедленное обнаружение и более быстрое разрешение столкновений.[10]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Хонг, Стивен; Бренд, Джоэл; Чой, Юнг; Джайн, майанк; Мельман, Джефф; Катти, Сачин; Левис, Филипп (2014). «Приложения подавления собственных помех в 5G и выше» (PDF). Журнал IEEE Communications. 52 (2): 114–121. Дои:10.1109 / mcom.2014.6736751. Получено 2018-04-23.
  2. ^ Бхарадиа, Динеш; Макмилин, Эмили; Катти, Сачин (2013). «Полнодуплексные радиоприемники» (PDF). Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM. 43 (4): 375–386. Дои:10.1145/2534169.2486033. Получено 2018-04-23.
  3. ^ Чой, Чон Иль; Джайн, майанк; Шринивасан, Каннан; Левис, Филипп; Катти, Сачин (2010). Обеспечение одноканальной полнодуплексной беспроводной связи (PDF). MobiCom, 2010. Чикаго, Иллинойс, 20–24 ноября 2010 г.
  4. ^ Корпи, Д .; AghababaeeTafreshi, M .; Пиилила, М .; Анттила, Л .; Валкама, М. (2016). Усовершенствованные архитектуры для подавления собственных помех в полнодуплексных радиостанциях: алгоритмы и измерения (PDF). 50-я конференция Asilomar по сигналам, системам и компьютерам, 2016 г. Пасифик-Гроув, Калифорния, 6–9 ноября 2016 г.
  5. ^ Энн Моррис (25 января 2016 г.). «Итальянская компания TIM и Kumu тестируют полнодуплексную релейную технологию, чтобы удвоить емкость LTE». fiercewireless.com. Fierce Wireless. Получено 24 апреля 2018.
  6. ^ Моника Аллевен (28 сентября 2015 г.). "Deutsche Telekom завершает полнодуплексные полевые испытания 5G с Kumu Networks". fiercewireless.com. Fierce Wireless. Получено 24 апреля 2018.
  7. ^ Белал Хамзех, вице-президент по исследованиям и разработкам (16 февраля 2016 г.). «Полнодуплексная технология DOCSIS® 3.1: повышение ставки с помощью симметричной гигабитной услуги». cablelabs.com. Получено 24 апреля 2018.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  8. ^ Кимберли Андервуд (1 октября 2019 г.). «Финляндия развивает коммуникационные сверхдержавы». www.afcea.org. AFCEA International. Получено 15 октября 2019.
  9. ^ Риихонен, Танели; Корпи, Дани; Рантула, Олли; Рантанен, Хейкки; Саарелайнен, Тапио; Валкама, Микко (2017). «Внутриполосные полнодуплексные радиопередатчики: изменение парадигмы в тактической связи и радиоэлектронной борьбе?». Журнал IEEE Communications. 55 (10): 30–36. Дои:10.1109 / MCOM.2017.1700220.
  10. ^ Cheng, W .; Чжан, X .; Чжан, Х. (2013). «Полнодуплексная беспроводная связь для сетей когнитивного радио». arXiv:1105.0034 [cs.IT ].

Ю. Хуа, Ю. Ма, А. Голиан, Ю. Ли, А. Цирик, П. Лян, «Подавление радиопомех посредством формирования луча передачи, полностью аналогового подавления и слепой цифровой настройки», Обработка сигналов, том. 108, стр. 322-340, 2015.

внешние ссылки