综述：关于用于同时收发阵列的自干扰消除技术的综述

《Digital Signal Processing》：A Review of Self-Interference Cancellation Technologies for Simultaneous Transmit-Receive Arrays

STAR阵列技术通过主动抑制收发通道间的自干扰（SI），在军事电子对抗和民用通信领域实现频谱效率翻倍，但大规模部署面临严重SI挑战。研究系统梳理了空间域（物理隔离/波束成形）、模拟域（相位共轭重构）、数字域（基于本地信号的SI建模）三级 cancellation架构，实验表明256×256阵列可实现137.3dB隔离。未来需突破近场耦合机理建模、多自由度优化及低复杂度SI重构技术，以推进工程化应用。

　　

宋长青|肖电|郝万兵|马万志|赵洪志|邵世海

南京航空航天大学航天学院，中国江苏省南京市211106

摘要

由于频谱密集型军事电子战系统和高效民用通信的双重需求，同时发射接收（STAR）阵列技术因其高效的频谱复用潜力而受到了广泛关注。然而，发射和接收通道之间的强自干扰（SI）会降低接收器的灵敏度，这成为其实际应用的关键技术障碍。本研究系统地回顾了STAR阵列SI消除技术的研究进展，涵盖了五个关键方面：SI耦合通道、空间域消除、模拟域消除、数字域消除以及实验验证。当前最先进的系统对于256×256的STAR阵列实现了高达137.3 dB的隔离度，对于4×4的阵列实现了140.5 dB的隔离度，接近工程可行性。尽管如此，多天线阵列在民用和军事应用中的大规模部署将使STAR阵列面临更严重的近场SI挑战。未来的研究应重点关注明确近场耦合机制、优化空间自由度、降低SI重建的复杂性以及改进对非理想因素的补偿策略，以推进STAR技术的应用。

引言

随着现代民用和军事场景中对电磁频谱的利用朝着更高容量、多功能性和更大集成度的方向发展，传统的基于时分、频分和空分原理的频谱协调技术越来越难以满足高效频谱利用的需求[1]。在民用应用中，如图1(a)所示，现有的无线电系统采用时分或频分复用来减轻设备间的干扰，导致频谱效率下降高达50%[2]。在军事行动中，如图1(b)所示，电子设备在战斗平台上的密集部署加剧了频谱拥堵，使得同频发射接收干扰尤为明显，严重限制了频谱资源的有效利用[3]。

同时发射接收（STAR）信号处理技术通过主动抑制集成平台中的自干扰（SI），理论上可以将频谱效率提高一倍[4]。这一突破为整合侦察、干扰、检测、通信和导航功能提供了关键的技术途径[5]、[6]。近年来，大规模天线阵列在依赖频谱的系统中的广泛应用和持续发展，增加了对STAR能力的需求。这些能力将为下一代移动通信系统、集成多功能电子战系统以及空天地网络通信系统提供高可靠性和高频谱效率的技术支持，从而推动相关领域的技术创新和产业升级[7]。

在STAR信号处理技术和天线阵列的集成应用中，存在两种主要的架构设计：（1）空间分离的STAR阵列（图2(a)），分别使用两个物理隔离的阵列进行发射和接收；（2）集成STAR阵列（图2(b)），每个天线元素都能同时进行发射和接收。这两种架构的核心区别在于天线元素的收发模式。然而，两者都面临一个共同的技术瓶颈[8]：在有限空间内密集部署发射/接收元素会导致强烈的STAR自干扰，从而引起接收器灵敏度下降和低噪声放大器（LNA）的非线性饱和[9]。

针对同时发射接收（STAR）网络，[5]提供了最新研究进展和实际应用的全面概述。具体来说，它探讨了无线蜂窝网络架构的演变，介绍了无蜂窝STAR网络的新兴应用场景，并讨论了与其实际部署相关的重要问题。然而，该调查并未明确指出限制STAR阵列SI消除的基本瓶颈。此外，它缺乏对这些挑战的系统性讨论，也没有对现有硬件平台和实验验证系统的性能能力进行全面评估。

相比之下，我们的研究对现有关于SI消除的文献进行了全面调查，研究框架如图3所示。具体而言，我们的研究围绕三个方面展开：（1）SI耦合通道分析，涉及实验性地表征发射/接收阵列之间的SI耦合功率，开发理论通道模型，并分析耦合通道特性；（2）SI消除算法，能够在空间域、模拟域和数字域实现SI消除；（3）实验验证，包括开发概念验证原型，并在典型实验条件下验证SI消除的效果和关键技术指标。

章节摘录

特性测量

通过系统的实验测量，相关研究准确地表征了SI的功率分布以及时空频率特性，同时分析了阵列内部的SI耦合机制。这些努力为设计自干扰消除算法和验证其性能提供了关键的数据支持。大多数现有研究集中在单输入单输出（SISO）场景，而多天线阵列的SI测量仍处于早期阶段

空间域SI消除

在STAR阵列中，空间域SI消除主要采用两种核心策略：被动隔离和主动消除。被动隔离以低成本和低实现复杂性为特点，通过天线结构优化、引入特殊物理屏障等方法实现SI信号的物理衰减。这种方法适用于环境参数相对稳定的静态场景。相比之下，主动消除

模拟域SI消除

如图10所示，模拟域SI消除利用来自本地发射机的先验信息，通过辅助重建路径合成一个相位共轭的SI，从而直接消除接收到的SI。根据实现方式的不同，有两种架构：直接耦合和数字辅助的模拟SI消除[54]。作为空间域技术的关键扩展，这些模拟域方法进一步减少了进入接收端的SI功率

数字域SI消除

在实际应用中，由于组件性能、硬件复杂性和成本的限制，尽管在空间域和模拟域进行了消除处理，STAR系统的ADC输出中仍存在残余SI。因此，需要数字消除来实现更彻底的SI消除。如图14所示，该技术利用本地基带数字信号作为参考，对SI传播、射频损伤和信号处理误差进行建模，从而实现精确的SI消除

实验验证

全球研究机构最近开发了一系列不同STAR阵列架构的实验原型，其SI消除性能总结在表2中（见下一页）。这些实验原型包含2到256个阵列元素，主要排列成1D线性或2D矩形配置。它们的工作频段覆盖0.37 GHz至26.4 GHz，瞬时带宽可达800 MHz，最大EIRP达到54 dBm。

结论

为了解决STAR阵列中高精度SI消除的需求，现有研究建立了覆盖空间域、模拟域和数字域的三层SI消除架构。首先，利用空间域被动隔离和主动波束成形实现元素级别的初步SI消除，从而避免接收端RF前端的饱和。其次，实施模拟域SI消除以优化ADC采样精度。最后，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

宋长青于2023年获得电子科技大学（UESTC）的博士学位。他目前是南京航空航天大学航天学院的副教授，主要从事干扰消除、物理层安全和无线信号处理研究。