22651

ارائه يك روش حوزه زمان/فركانس براي حذف و كاهش تداخل خودي و اثرات نويز فاز در ارتباط دوطرفه همزمان نسل 5

كارشناسي ارشد

مخابرات سيستم

1399

1399/4/28

دكتر بهمن ابوالحسني

برق

فناوري ارتباط تمام دوطرفه همزمان(FD)، منجر به ساخت گيرنده/فرستنده‌هاي فركانس راديويي براي ارسال و دريافت همزمان در يك فركانس حامل يكسان مي‌شود. بازدهي طيفي سيستم‌هاي FD دو برابر بازدهي طيفي سيستم‌هاي مخابرات مبتني بر تسهيم فركانسي(FDD) يا زماني(TDD) نيمه دوطرفه همزمان(HD)، مي‌باشد. چالش اصلي در به كارگيري فناوري FD و حفظ نرخ دو برابري ناشي از بهبود بازدهي طيفي، حذف و كاهش سيگنال تداخل خودي(SI) بسيار قوي قابل ظهور از فرستنده خودي راديوي FD به آنتن گيرنده محلي است. روش‌هاي حذف و كاهش SI را مي‌توان به سه دسته كاهش غيرفعال (يا كاهش در حوزه انتشار)، حذف در حوزه مدارات آنالوگ و حذف در حوزه مدارات ديجيتال تقسيم‌بندي كرد. با اين حال، به دليل نقص‌هاي سخت‌افزاري و پياده‌سازي آن‌ها مانند، نويز فاز اسيلاتورها، غيرخطي بودن تقويت‌كننده‌هاي توان، عدم توازن I/Q و نويز كوانتيزاسيون مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال، حذف و مهار SI به صورت كامل سخت بوده و همواره SI پسماندي در راديوهاي FD عملي وجود دارد. در ميان تمامي نقص‌ها نتيجه‌گيري چندين مطالعه نشان مي‌دهد كه اصلي‌ترين دليل به وجود آمدن SI پسماند نويز فاز است. به همين دليل روشي قابل قبول براي حذف و كاهش SI با در نظر گرفتن اثرات نويز فاز و غيرخطي‌هاي زنجيره‌هاي فرستنده و گيرنده به كمك استفاده از مدل بسط پايه نمايي مختلط تعميم‌يافته(GCE-BEM) در دو حوزه زمان و فركانس پيشنهاد مي‌گردد. مدل بسط پايه GCE-BEM براي تقريب فرآيند نويز فاز متغير با زمان و تبديل مسأله تخمين كانال‌هاي متغير با زمان ناشي از فرآيند نويز فاز عمومي به تخمين مجموعه‌اي از ضرايب GCE-BEM نامتغير با زمان در مرتبه بسط كمتر و دقت بيشتر ارائه مي‌شود. پس از پيشنهاد يك روش تخمين حداقل مربعات(LS) براي حذف و كاهش SI در حوزه آنالوگ، از تخمين‌گرهاي حداكثر تشابه (ML) و حداقل مربعات، مبتني بر مدل بسط پايه GCE-BEM پيشنهادي، در هر دو روش ارسال پايلوت‌هاي تسهيم‌شده زماني و فركانسي، ضرايب GCE-BEM در حوزه ديجيتال يا باند پايه تخمين زده مي‌شوند. مشاركت سيگنال مطلوب در فرآيند تخمين و در نظر نگرفتن آن به صورت نويز گوسي جمع‌شونده و تخمين همزمان كانال مطلوب، كانال SI و غيرخطي‌ها و اثرات نويز فاز زنجيره‌هاي فرستنده و گيرنده يكي از مهمترين ويژگي‌هاي اين پايان‌نامه است. ابتدا با استفاده از سمبول‌هاي پايلوت و تخمين‌گر LS و سپس با استفاده از آمارگان مرتبه دوم سيگنال مطلوب نامعلوم و با استفاده از يك تخمين‌‌گر ML مبتني بر مدل بسط پايه GCE-BEM پيشنهادي، كانال سيگنال مطلوب به صورت همزمان با كانال SI و اثرات نويز فاز و غيرخطي‌هاي زنجيره‌هاي فرستنده و گيرنده تخمين زده مي‌شوند. نتايج عددي نيز نشان مي‌دهد كه روش حذف و كاهش SI پيشنهادي مبتني بر مدل بسط پايه GCE-BEM در هر دو روش ارسال پايلوت‌هاي تسهيم‌شده زماني و فركانسي با استفاده از مرتبه بسط و زمان پردازش كمتر به توانايي حذف SI بهتري با نسبت سيگنال مطلوب به مجموع سيگنال تداخل خودي و نويز(SINR) بسيار نزديك به نسبت سيگنال مطلوب به نويز(SNR) دست مي‌يابد. در پايان نيز با استفاده از تخمين كانال سيگنال مطلوب دريافتي، منحني‌هاي نرخ خطاي بيت(BER) مرتبط با هر دو تخمين‌گر پيشنهادي براي مخابرات FD-OFDM مفروض ترسيم مي‌گردد.

1399/07/13

Propose a Time/Frequency Domain Method for Suppression and Cancellation of the Self-Interference and Phase Noise Effects in the Full Duplex Communication in 5G

7/18/2020 12:00:00 AM

The full-duplex (FD) communication technology leads to the construction of radio frequency receivers/transmitters to transmit and receive simultaneously at the same carrier frequency, which would improve the attainable spectral efficiency by a factor of two in compared with its counterpart half-duplex (HD) operation. The main challenge encountered in implementing an FD wireless device is the large power difference between the self-interference (SI) imposed by the device’s own signal transmission and the signal of interest received from a remote source. SI cancellation techniques classified into three categories, namely passive suppression, analog cancellation and digital cancellation. However, due to the hardware imperfections and implementing problem such as oscillator phase noise, power amplifier nonlinearity, in-phase and quadrature-phase (I/Q) imbalance and the quantization noise of analog-to-digital converters, complete SI suppression and cancellation is so difficult and there is always residual SI in practical FD radios. Among all the SI cancellation bottlenecks, the results of several studies show that the main reason for residual SI is the phase noise of oscillators. Therefore, we develop a new scheme to jointly estimate and cancel the IQ mixer imbalance, power amplifier (PA) nonlinearities, up/down-conversion phase-noise and the SI-channel using the Generalized Complex Exponential Basis Expansion Model (GCE-BEM) in both time and frequency domains. The GCE-BEM is derived to approximate the time-varying phase-noise and to transform the problem of estimating the time-varying phase-noise into the estimation of a set of time-invariant coefficients in the less expansion order and more accuracy. After providing a least square estimation (LS) method for SI suppression and cancellation in the analog domain, the Maximum likelihood (ML) and least square (LS) estimators based on the proposed GCE-BEM are then used in both time and frequency multiplexed pilot transmission to find GCE-BEM coefficients. One of the most important features of this study is the participation of the intended signal in the estimation process and not considering it as aggregate Gaussian noise and simultaneous estimation of the intended channel, SI channel and phase noise and non-linearity of transmitter and receiver chains effects. First, using pilot symbols and LS estimators, and then using second order statistics of the unknown intended signal, and using an iterative algorithm-based ML estimator based on the proposed GCE-BEM, the intended signal channel simultaneously with the SI channel and phase noise and non-linearity of transmitter and receiver chains effects are estimated. Simulation results indicate that the proposed GCE-BEM based SI cancellation and suppression in both time and frequency multiplexed pilot transmission can offer a superior SI-cancellation performance with the resulting intended-signal-to-SI-and-noise ratio (SINR) very close to the intended-signal-to-noise ratio (SNR) in the less processing time and expansion order. Finally, using the desired received signal channel estimation, the bit error rate curves (BER) related to both proposed estimators for given FD-OFDM communications are mapped.