时分宽带波束成形技术用于自干扰消除，同时采用发射和接收相控阵列

《Digital Signal Processing》：Time-Division Wideband Beamforming for Self-Interference Cancellation with Simultaneous Transmit and Receive Phased Arrays

宽频带波束成形设计抑制STAR系统自干扰，通过QCQP-1优化模型结合拉格朗日乘数法实现高效解算，并引入时间分割框架避免延迟线需求，降低硬件复杂度。

　　

刘永红|魏喜章

电子与通信工程学院，中山大学，深圳，518000，广东，中国

摘要

同时发射和接收（STAR）技术在国防和无线通信领域有广泛的应用，尽管STAR相位阵列会受到自干扰（SI）的严重影响。本文提出了一种宽带波束成形设计，可以在抑制SI的同时保持可控的发射功率和接收增益。波束成形问题被重新表述为一个二次约束二次规划（QCQP-1）问题，并使用拉格朗日乘数法高效求解。为了进一步提高宽带自干扰消除（SIC）效果，我们引入了一种时分框架，该框架在处理线性频率调制（LFM）波形时无需使用抽头延迟线（TDL）。通过为不同频率分量分配不同的波束成形权重，该框架实现了衰减器和移相器的共享使用，从而降低了硬件复杂性。仿真结果表明，所提出的方法提供了有效的前端保护，并实现了显著的SIC效果，同时计算复杂度低于现有的波束成形算法。此外，时分框架还可以进一步提高宽带SIC性能。

引言

同时发射和接收（STAR）相位阵列，在无线通信领域也被称为带内全双工（IBFD）系统，它能够在同一频段以及相邻频道内同时进行信号的发送和接收[1]、[2]。通过消除对保护带或时间分隔的需求，STAR阵列更高效地利用了频谱资源，减少了延迟，并支持同时执行多种功能。例如，在国防应用中，战斗机可以同时进行通信、雷达探测以及实施干扰或先进的电子攻击对策[3]。在无线系统中，新型的多功能设计旨在利用共享的频谱资源来实现通信之外的功能，如无线能量传输[4]和集成感知与通信[5]。同样，车对一切（V2X）系统也从这种多功能性中受益，因为车辆、无线网络和道路基础设施之间的可靠连接对于车辆任务至关重要[6]、[7]。然而，STAR阵列面临的主要技术挑战是自干扰（SI），它来源于共位的发射器，其强度足以使低噪声放大器（LNAs）和后续的模数转换器（ADCs）饱和。为了充分发挥STAR的优势，必须有效抑制SI，以防止接收前端不堪重负。

已经提出了多种技术来应对这一挑战[8]、[9]。一种方法是采用高方向性的天线或阵列设计、空间零点或极化分集来增强空间隔离[10]。另一种方法是在发射-接收天线对之间使用模拟自干扰消除（SIC）网络[11]。然而，后者通常会导致较高的成本和复杂性，因为需要构建的SIC通道数量随着独特的发射-接收天线对数量的增长而增加。另一方面，数字SIC网络在基带实现，以减轻残余干扰，特别针对非线性SI分量[12]。考虑到大规模相位阵列或大规模多输入多输出（MIMO）系统的实现挑战，自适应发射波束成形（TxBF）和接收波束成形（RxBF）作为通过适当设计波束成形向量来减少SI的有效策略应运而生。现有的波束成形方法大致可以分为两类。第一类分别优化TxBF和RxBF，以抑制前端输入功率和残余SI功率[13]、[14]、[28]、[29]。第二类通过迭代优化TxBF和RxBF来更有效地减轻残余SI，但这些方法忽略了接收前端的保护[15]、[16]、[30]。

宽带系统固有地受到波束偏斜效应的影响，不同频率分量的信号会经历与载波频率不同的传播条件[17]。因此，直接将上述波束成形技术应用于宽带场景会导致SIC性能显著下降，因为一组波束成形权重无法同时适应整个信号带宽。为了解决这一限制，宽带波束成形架构引入了额外的处理维度来生成频率依赖的波束成形权重。典型的实现包括抽头延迟线（TDL）或有限/无限冲激响应（FIR/IIR）滤波器[18]、[19]。这些架构通过适当延迟和加权传输或接收信号来实现频率选择性响应，从而在整个带宽上改善SIC性能。然而，这样的改进以显著增加的硬件复杂性为代价，因为它们需要大量的衰减器、移相器和滤波器组件来实现所需的宽带响应。

在本文中，我们首先提出了一种联合发射和接收的宽带波束成形设计，将其表述为一个具有两个约束的二次约束二次规划（QCQP）问题，这通常属于NP难题。为了解决这一挑战，波束成形权重被表示为特征向量的线性组合，以满足发射功率或接收增益约束，从而将问题重新表述为一个具有单个约束的QCQP（QCQP-1）。在许多情况下，QCQP-1可以最优且高效地求解。在此基础上，我们进一步引入了一种时分宽带波束成形框架，专门针对每个时隙只有一个频率分量的信号，如线性频率调制（LFM）波形。通过为不同时隙分配不同的波束成形权重，该框架能够有效地将权重与相应的频率分量匹配，而无需额外的处理维度，从而实现了这种信号类型的高效率。此外，所提出的方案在不同时隙之间重用了相同的衰减器和移相器，非常适合在窄带STAR相位阵列系统中实现。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍信号模型并分析了系统中SI功率的分布。第3节详细介绍了所提出的波束成形算法，第4节介绍了时分宽带波束成形框架。第5节提供了仿真结果，以证明所提方法的卓越宽带SIC性能。最后，第6节总结了本文。

节选内容

系统模型

在这项工作中，我们考虑了一个由相邻的发射和接收子阵列组成的数字相位阵列系统。选择这种配置是因为与其他分割方法相比，它使得每对发射-接收天线之间的耦合通道具有更强的相似性。我们假设发射和接收子阵列分别由M个发射元素和N个接收元素组成，如图1所示。

发射波束成形设计

鉴于耦合矩阵H在上述所有功率项中的主导作用，其结构对子阵列接收到的SI功率有显著影响。在远场传播环境中，发射阵列可以近似为相对于接收阵列的点源，从而导致耦合矩阵的秩较低。在这种情况下，TxBF中的多个自由度（DOF）使得在所有接收元素处形成完美的零点相对容易

时分宽带波束成形

在上一节中，我们提出了一种优化方法，用于在保持高EIRP或接收增益G_r的同时消除SIC，适用于一般信号。当信号的相对带宽较窄或适中时，该方法可以有效减轻SI，仅导致功率增益的轻微下降。然而，随着相对带宽的增加，问题变得更具挑战性。对于由连续频率分量组成的宽带信号，最优波束成形权重会随频率变化而变化。

仿真结果

为了验证所提方法的有效性，我们使用Ansys HFSS进行了电磁仿真。设计了一个4×8的U型贴片天线阵列，其在4.5 GHz的工作频率下的元件间距为半波长[25]。该阵列被划分为两个相等的子阵列：一个4×4的Tx子阵列和一个4×4的Rx子阵列。耦合矩阵也在Ansys HFSS中从4.05 GHz到4.95 GHz范围内进行了建模，频率分辨率为3.75 MHz。嵌入式元件增益为

结论

在本文中，我们提出了一种宽带波束成形设计，可以在保持有效发射功率和接收增益在期望水平的同时最小化SI功率。优化问题被重新表述为一个QCQP-1，并使用拉格朗日乘数法求解。在此基础上，我们引入了一种时分宽带波束成形框架，消除了对TDL的需求。关键思想是将时分波束成形权重分配给不同的频率分量，从而

CRediT作者贡献声明

刘永红：概念化、方法论、软件、验证、形式分析、数据整理、撰写——初稿、撰写——审阅与编辑、可视化。魏喜章：概念化、方法论、资源、监督、项目管理、资金获取。

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