本發(fā)明涉及微波技術(shù)領(lǐng)域及通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于時(shí)間反演的同時(shí)同頻全雙工電磁通信方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前主流的無線通信系統(tǒng)通常采用半雙工(Half-duplex)的通信模式，如時(shí)分雙工(Time-division duplexing,TDD)和頻分雙工(Frequency-division duplexing,FDD)。時(shí)分雙工采用時(shí)分復(fù)用的方式，在同一頻道內(nèi)、從時(shí)間上將發(fā)射通道與接收通道相互隔離；而頻分雙工則是采用兩個(gè)不同的頻道分別賦予發(fā)射通道和接收通道，而在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)同時(shí)但不同頻的收發(fā)功能。鑒于傳統(tǒng)的半雙工通信模式無法實(shí)現(xiàn)在同一頻道上用相同的極化方式對(duì)信息同時(shí)收發(fā)，因而無線頻譜資源尚未獲得充分利用。

同時(shí)同頻全雙工(Co-time co-frequency full duplexing,CCFD)用全雙工的方式實(shí)現(xiàn)在同一頻道上對(duì)信息進(jìn)行同時(shí)收發(fā)，因而能夠極大提高頻譜利用率，從而提高通信速率、增加系統(tǒng)容量、改善通信效率。并且，同時(shí)同頻全雙工通信在數(shù)據(jù)吞吐量、無線接入抗沖突能力、電磁兼容性、物理層安全性等多方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，要構(gòu)建高效率的CCFD通信仍然面臨著眾多理論問題和技術(shù)瓶頸，諸如高性能的自干擾消除、全雙工模式在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的有效性、低復(fù)雜度軟/硬件全雙工系統(tǒng)的搭建等。其中，自干擾消除是全雙工通信的核心問題?，F(xiàn)有研究表明，在全雙工通信模式下，若自干擾信號(hào)的強(qiáng)度能夠有效抑制，使剩余自干擾信號(hào)的強(qiáng)度低于背景噪聲功率3dB以上，則抑制后的自干擾信號(hào)不會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)的端到端吞吐量造成顯著影響。

目前，在CCFD通信的研究中，主要采用多天線系統(tǒng)，通過合理的布置各個(gè)天線的空間位置或者利用電磁波的交叉極化特性等方案實(shí)現(xiàn)自干擾的抑制。文獻(xiàn)【Passive self-interference suppression for full-duplex infrastructure nodes[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(2):680-694.】提出了一種采用定向天線法抑制自干擾實(shí)現(xiàn)CCFD的方法，其采用兩副90度波束寬度的定向天線，在收發(fā)天線相距50cm時(shí)可實(shí)現(xiàn)27.9dB的自干擾抑制。文獻(xiàn)【Two-way(true full-duplex)wireless[C].CWIT,Toronto,Canada,2013,33-38.】利用交叉極化原理，對(duì)收、發(fā)兩端采用不同極化方式的天線實(shí)現(xiàn)收發(fā)間的高隔離度，從而抑制CCFD通信過程中的自干擾。如上所述，當(dāng)前的主要方案均采用多天線即天線陣列，然而根據(jù)傳統(tǒng)理論，為使多天線系統(tǒng)獲得良好的空間分集增益和空間復(fù)用增益，要求天線單元間距不小于半個(gè)工作波長(zhǎng)，最終導(dǎo)致收發(fā)前端所占的空間較大，這與移動(dòng)終端小型化這一發(fā)展趨勢(shì)相違背。

時(shí)間反演(Time reversal,TR)電磁學(xué)是近年來發(fā)展起來的電磁學(xué)新方向。研究表明，基于Maxwell方程的對(duì)稱性，將接收器接收到的時(shí)域電磁波進(jìn)行逆時(shí)處理后再發(fā)射，電磁波將自動(dòng)在原源點(diǎn)處表現(xiàn)出時(shí)間-空間同步聚焦特性。TR電磁波的時(shí)-空聚焦、超分辨率聚焦特性將有可能為無線信息技術(shù)帶來革命性變革，其在大容量、高速率無線通信領(lǐng)域，為碼間干擾抑制、共道干擾抑制、復(fù)雜環(huán)境中的多徑干擾抑制、有限空間內(nèi)密集獨(dú)立信道構(gòu)建等一系列難題提供全新的解決途徑。同時(shí)，利用時(shí)間反演通信技術(shù)，即使天線單元之間的間隔在亞波長(zhǎng)狀態(tài)，其相應(yīng)的收發(fā)信道依然是獨(dú)立的。若把TR電磁通信引入到CCFD通信中，則可為這類通信的自干擾抑制提供一種全新方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于時(shí)間反演的同時(shí)同頻全雙工電磁通信方法，其原理拓?fù)淙鐖D1所示，通信雙方分別記為A端、B端，每一端均包含接收天線(R_A、R_B)和發(fā)射天線(T_A、T_B)，具體包括以下步驟：

步驟1、針對(duì)通信方A端，在其接收天線R_A上激勵(lì)起并發(fā)射出一個(gè)用于測(cè)試信道的探測(cè)信號(hào)H_A(t)，通信另一方即B端的發(fā)射天線T_B會(huì)接收到該探測(cè)信號(hào)H_A(t)；

步驟2、B端對(duì)接收到的探測(cè)信號(hào)H_A(t)進(jìn)行時(shí)間反演操作，得到時(shí)間反演信號(hào)；

步驟3、在B端，將其需要傳輸至A端的攜帶信息的信號(hào)與步驟2所述的時(shí)間反演信號(hào)進(jìn)行卷積操作后得到信號(hào)S_B(t)，經(jīng)由B端的發(fā)射天線T_B將信號(hào)S_B(t)發(fā)射出去；信號(hào)S_B(t)經(jīng)過空間傳輸后，會(huì)聚焦于A端的接收天線R_A處，由此實(shí)現(xiàn)B端至A端的信息傳輸；

步驟4、按照步驟1至步驟3所述方法，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)A端至B端的信息傳輸；

由于時(shí)間反演電磁波的超分辨聚焦特性，B端各個(gè)天線的信道是獨(dú)立的，即發(fā)射天線T_B所發(fā)射的信號(hào)S_B(t)理論上不會(huì)泄漏至B端的接收天線R_B上；同理，A端發(fā)射天線T_A所發(fā)射的信號(hào)S_A(t)理論上也不會(huì)泄漏至A端的接收天線R_A上，由此能有效抑制同一通信方的自干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工通信。

進(jìn)一步的，為保證時(shí)間反演電磁波的聚焦效果，通信雙方的發(fā)射天線T_A、T_B均為包含不少于3個(gè)天線單元的陣列天線。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用時(shí)間反演特有的時(shí)間-空間聚焦特性實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工通信中自干擾信號(hào)的有效抑制；同時(shí)，由于采用時(shí)間反演技術(shù)，即使通信雙方收、發(fā)天線單元的間隔在亞波長(zhǎng)狀態(tài)，其相應(yīng)的收發(fā)信道依然是獨(dú)立的，因此降低了通信模塊復(fù)雜度、提高通信速率、增加系統(tǒng)容量，也為移動(dòng)終端的小型化提供了保障。

附圖說明

圖1本發(fā)明提供的同時(shí)同頻全雙工電磁通信方法的原理拓?fù)鋱D。

圖2本發(fā)明實(shí)施例提供的同時(shí)同頻全雙工電磁通信方法的原理拓?fù)鋱D。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

本實(shí)施例提供的同時(shí)同頻全雙工通信方法的原理拓?fù)淙鐖D2所示，采用如下技術(shù)方案：

一種基于時(shí)間反演的同時(shí)同頻全雙工電磁通信方法，通信雙方分別記為A端、B端，每一端均包含接收天線(R_A、R_B)和發(fā)射天線(T_A、T_B)，所述發(fā)射天線T_A、T_B均為包含有3個(gè)天線單元、呈亞波長(zhǎng)分布間隔的陣列天線，具體包括以下步驟：

步驟1、針對(duì)通信方A端，在其接收天線R_A上激勵(lì)起并發(fā)射出一個(gè)用于測(cè)試信道的探測(cè)信號(hào)H_A(t)，經(jīng)過空間信道傳輸后，通信另一方即B端的發(fā)射天線T_B會(huì)接收到該探測(cè)信號(hào)：

$X_A\left(t\right)=H_A\left(t\right)\⊗h_n\left(t\right),$

其中h_n(t)為信道沖擊響應(yīng)，為卷積操作；

步驟2、B端對(duì)接收到的探測(cè)信號(hào)X_A(t)進(jìn)行時(shí)間反演操作，得到時(shí)間反演信號(hào)：

$X_A(-t)=H_A(-t)\⊗h_n(-t);$

步驟3、在B端，將其需要傳輸至A端的攜帶信息的信號(hào)i(t)與步驟2所述的時(shí)間反演信號(hào)X_A(-t)進(jìn)行卷積操作后得到信號(hào)經(jīng)由B端的發(fā)射天線T_B將信號(hào)S_B(t)發(fā)射出去；信號(hào)S_B(t)經(jīng)過空間信道傳輸后，會(huì)聚焦于A端的接收天線R_A處，由此實(shí)現(xiàn)B端至A端的信息傳輸；

步驟4、按照步驟1至步驟3所述方法，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)A端至B端的信息傳輸；

由于時(shí)間反演電磁波的超分辨聚焦特性，B端各個(gè)天線的信道是獨(dú)立的，即發(fā)射天線T_B所發(fā)射的信號(hào)S_B(t)理論上不會(huì)泄漏至B端的接收天線R_B上；同理，A端發(fā)射天線所發(fā)射的信號(hào)S_A(t)理論上也不會(huì)泄漏至A端的接收天線R_A上，由此能有效抑制同一通信方的自干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工通信。