带内全双工无线通信的自适应全光自干扰消除技术研究

The In-Band Full-Duplex (IBFD) wireless communication system enhances the transmission capacity by increasing the spectrum efficiency tremendously, and one of the main challenges is self-interference cancellation (SIC). In this proposal, an adaptive all-optical SIC (AAO-SIC) technology is proposed. Taking advantages of optical devices in high precision and wide bandwidth, key functions of phase reversal, the rapid adjustments of delay and gain are implemented by all-optical mode, achieving the all-optical SIC (AO-SIC). Based on that, the quick feedback-control scheme which is used to address the SIC performance degradation induced by time-varying wireless channel and the pre-distortion compensation scheme which is used to resolve the restriction of SIC bandwidth induced by fading wireless channel are proposed to realize high-performance wideband adaptive AO-SIC (AAO-SIC) by tracking adjustment of SIC parameters. Through the all-optical signal processing technique combined with the optimization algorithm, the AAO-SIC technology focuses on breaking through the technical bottleneck of wideband and high-frequency for SIC and the difficulties of adaptivity and flexibility when applying SIC in IBFD communication. These will effectively extend the available working bandwidth and transmission capacity for IBFD, providing corresponding technical support for future practical wideband IBFD wireless communication.

带内全双工（IBFD）无线通信系统通过大幅提高频谱利用率以提升通信传输容量，而自干扰消除（SIC）是其面临的主要挑战之一。本项目提出一种自适应全光自干扰消除（AAO-SIC）技术，利用光器件的高精度、宽带宽优势，通过全光方式实施SIC中反相、时延与增益的快速调节等关键功能，以实现全光自干扰消除（AO-SIC）；在此基础上，提出针对无线信道环境时变性致SIC效果受限的快速反馈控制方案、针对无线信道不平坦响应致SIC带宽受限的预失真补偿方案，以跟踪调节SIC参数实现高性能宽频带的自适应AO-SIC（AAO-SIC）。本项目研究的AAO-SIC技术利用全光信号处理技术并配合优化算法，重点突破SIC在宽频带、高频段的电子瓶颈及SIC应用于IBFD通信系统的自适应性与灵活性等难题，以有效扩增IBFD工作带宽和传输容量，为未来实用化的宽带IBFD无线通信提供技术支撑。

为了满足下一代移动通信对于大容量传输的需求、缓解日益紧张的通信频谱资源，本项目提出并研究了一种应用于带内全双工（In-band Full-duplex, IBFD）通信的全光自适应光学自干扰消除系统（Optical Self-interference Cancellation, OSIC），并进行了实时、大宽带、高频段和高消除深度的IBFD-OSIC通信演示。本项目完成的研究工作主要有以下几个方面：.（1）基于OSIC系统的大宽带、高频段、高消除深度技术。本项目首次提出并验证了基于相干DDMZM架构、非相干DML和非相干EML-BPD架构的光学自干扰消除系统。本项目在理论推导的基础上，搭建IBFD-OSIC实验平台且实现了大带宽、高频段、高消除深度的目标。.（2）自适应OSIC反馈调节技术。为了适应时变的无线信道和增强系统灵活性，本项目首次对自适应OSIC过程进行系统建模，将其抽象为二维凸函数最优化问题，分别提出了针对背靠背基带传输的基本正三角形自适应算法和针对无线高频通信场景的改良正三角形自适应算法。通过仿真和实验验证上述自适应OSIC反馈调节算法的有效性。实验结果表明自适应调节算法可以以最快的速度使OSIC系统收敛到最优点。.（3）自适应OSIC无线信道均衡技术。针对无线信道下消除效果受限的问题，本项目从数字SIC角度出发，分别在频域和时域提出了基于导频序列的频域预失真技术和基于LMS-FIR滤波器的时域预均衡技术。所提出的信道均衡技术能提升参考信号与自干扰信号之间的匹配程度，从而实现了在多径无线场景下的大带宽、高频段和高消除深度的效果。.（4）全光自适应OSIC技术。在充分调研器件与实验方案的基础上，本项目选择线性半导体光放大器SOA实现了全光延时调节和全光信号反相的功能，同时利用全光程控光学延时线和全光程控光学衰减器等实现全光自适应。本项目搭建的OSIC系统可达到25GHz的消除带宽，完成全光方案的宽带消除研究目标。.（5）实时自适应OSIC技术。在以上各技术模块研究成功的基础上，本项目使用FPGA进行了16QAM-OFDM信号的调制发射与解调接收和STM32单片机执行自适应OSIC算法，搭建出一套完整的IBFD-OSIC双向实时通信系统，实现了实时、高频、大带宽、高消除深度的目标，为IBFD的实用化奠定了重要和坚实的基础。