一个芯片，两倍带宽 全双工无线系统能使电话网络的数据容量翻倍

一个芯片，两倍带宽 一个可以同时收发信号的单天线芯片能够使电话网络的数据容量翻倍

今天的无线电技术与一个世纪前的无线电技术几乎完全不同。无数的技术进步使无线电设备更小巧、更可靠，电力和带宽的使用效率更高。但是，仍然存在一个很大的限制因素：无线电设备仍旧无法在一个频率上同时收发信号。这种在相同频率上同时收发的能力叫做全双工，对于无线网来说将是一个巨大的进步。它能够瞬间使网络承载数据的物理能力，即网络容量翻倍。目前，闲置无线电频谱已被挖掘得近乎枯竭，而数据需求却在不断增加（新兴5G网络的数据流量预计将增加1000倍）。在这个时候，全双工无线已经成为缓解频谱危机方法之探的希望。现在，我们终于证明了全双工无线系统是实际可行并可靠的。

在哥伦比亚大学实验室下所进行的FlexICoN项目，以及欧洲开展的DUPLO initiative项目，都已说明了如何在目前计算和通信设备普遍使用的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路中实现全双工操作。这项工作是几年前首次技术展示的延续。首次技术展示分属莱斯大学和斯坦福大学的不同项目，是利用实验室台式设备完成的第一批演示。斯坦福的研究项目后来衍生为一家创业公司：KumuNetworks。该公司利用分立元件在基站和基础设施侧实现了全双工，因为基站和基础设施对成本和尺寸的限制不像手机那么严格。

在有线世界里，双工电路是老古董了。前电子时代早期的电话机手持话筒可以通过一个混合变压器电路将听筒与话筒分离，从而能够同时在一个信道上传送和接收信号；这样，输出和返回的信号就可以在一对绞线中分别通过，而不会彼此干扰。

在无线领域，全双工概念始于20世纪70年代。当时，Plessey Groundsat系统可以在30～76兆赫甚高频（VHF）频段的信道上，为士兵提供全双工无线电通信。但是，当时这一功能只能在资金充足且发射和接收天线可以拉开一定距离的情况下才能实现。现今的军事系统使用光子技术将接收器和发射器分隔，以实现在一个频率信道上同时收发信号。

但是将全双工技术用于民用设施，如蜂窝通信和Wi-Fi，则比较困难，因为民用设备往往紧凑小巧，信号传输会在接收器中产生大量自干扰或回波。这种回波的强度可以比需要检测到的信号强度高出十亿至万亿倍，若想要系统正常工作，就必须非常非常精确地消除这种回波。

相比于民用系统，军事系统可以容忍更多的重量、体积和成本，从而可以努力追求实现全双工。为了将这一技术用于智能手机等消费产品，研究人员必须在天线、电路设计和算法方面推出新技术。

这就是为什么今天的无线网络只是半双工。发射器和接收器在不同的时隙发射和接收（称为时分双工，TDD），或者同时在不同的频率上发射和接收（称为频分双工，FDD）。由于时间或频率资源只在部分时间得到使用，所以这种网络的容量只有理想的全双工网络基本网络容量的一半。

从半双工走向全双工需要解决一个基本问题：一个无线设备之所以无法同时发射和接收信号，与你无法在大声喊叫的同时听到微弱耳语声的原因是一样的——干扰声比信号声更大。要想消除接收器中的干扰，可以通过在接收器处抵消掉已知的发射器信号来实现。但这项任务并不像说起来这么简单。要记住，回波的音量是你努力要听到的信号音量的十亿到万亿倍，所以必须极其精确地消除回音。这意味着要消除多个区域的干扰：无线电频率、模拟、数字，甚至是天线接口处，我们稍后会对此进行说明。每个区域的干扰消除必须和所有区域的干扰消除进行协调。

此外，发射器的信号并不完全是已知的。发射器信号在进入接收器中时，在天线接口中会产生频率失真。更糟糕的是，发射器信号会从附近物体上反射出去，沿着不同的路径在不同时间到达接收器。因此，要想获得近乎完美的回波消除效果（即构建一种回波来抵消原有的回波，使其大幅降低，比如降到低于原来的十亿分之一），必须非常准确地确定并复制从发射器到接收器的无线自干扰信道。

干扰信号当然是在模拟电路中接收，在理想情况下，它们会被立即转交给数字电路，以更灵活的方式加以处理。但是在全双工中，回波如此强大，导致模拟电路转交的是严重失真的回波。所以我们必须先在模拟电路区域消除一部分干扰。

一种方法叫做时域消除法。发射器的干扰信号到达接收器时，其反射信号（被附近物体反射后所形成）会经过一定时延后到达接收器。如果想让抵消信号与干扰信号同步，就必须让抵消信号通过预设的路径（也许有几厘米长），以模仿干扰信号的时延。问题是，一个集成电路本身远不足1平方厘米，所以这种时域消除法不能在芯片上实现。

因此，本文作者之一(Krishnaswamy)和他的博士生周瑾（Jin Zhou，音）提出了另一种方法：频域均衡法。这种方法的工作原理和立体声系统中的均衡器有些相似，在特别的频段上调整音频信号的强度。为了把信号分为可以单独操纵的多个频段，我们使用多个滤波器，每个滤波器都有非常灵敏的频率响应能力（或高频率因子）；这些滤波器接收传入的信号，但只有范围非常有限的频率才能通过。我们在整个信号频谱中放置了很多不同频率的滤波器。

以前，在芯片上做出灵敏的无线电频率滤波器是不可能的。而我们利用一个电路设计技巧在纳米级CMOS芯片上做出了这种滤波器，称为N-path滤波器。传统的滤波器使用电感器和电容器，电感器很难放在芯片上。而N-path滤波器使用的是开关，也就是集成电路技术最基本的东西——晶体管。

其他团队也把N-path滤波器放置在了芯片上，但我们是第一个将N-path滤波器用于频域均衡的团队。结果显示，在全双工无线电系统中，在很宽的频带上完成了回波消除。

在我们的系统中，众多N-path滤波器分接一小部分发射器信号。接下来，将无线电频率（RF）信号分成两个频段（两个以上也可以）。然后，调整每个频段中的信号，模仿抵达接收器的自干扰。

该多频段方法将带宽分成小段，这种各个击破的战略使我们更容易调节每一段带宽，即进行功率和相位调整。电路系统根据为频段指配的权重进行调节。还是用音频来做比喻，这就像是调高低音、调低高音，还有其他调节，使输出信号与出入信号匹配。

下一步是让权重处理自动化，以便输出信号随着环境变化而变化。当然，环境变化是动态的，每秒都有波动，所以处理不得不自动化。我们已经做了一些颇有前景的初步自动化演示，但是这方面还有更多工作要做。

我们设计了一个接收兼消除干扰的原型，然后用65纳米CMOS技术制将其做了出来。我们的全双工接收器可以在0.8到1.4吉赫中的任一频率上工作，RF自干扰消除器负责抑制发射器干扰，适用于各种天线，带宽大约是现有传统干扰消除技术的10倍。我们只用了两个N-path滤波器就实现了10倍的性能优势。这已经足以兼容许多先进的无线标准，包括LTE和Wi-Fi。如果增加滤波器的数量，干扰消除带宽会更大。

这种基于频率的消除方法的另一个优势是，能与现有多频段的频分双工无线系统兼容。如前所述，FDD是一种半双工技术，其中发射器和接收器可同时在不同频率上工作。它要求双工滤波器在共用天线中将发射器和接收器分开。由于这些芯片外的双工滤波器无法调谐，所以，现今的智能手机要用一个单独的双工滤波器来支持每一个FDD频段——4G LTE支持25个频段，因此需要25个双工滤波器！

若想降低手机无线电元件的体积和成本，只需用几个可调谐双工器件替代那些滤波器即可，但是这种可调谐的双工器件在分离发射器和接收器方面通常不如固定频率的双工器有效，因此，接收器特别容易受到发射器自干扰的影响。这就需要消除自干扰。

自干扰的切入点在于天线，所以在干扰信号漏入接收器之前，就在天线处将其抑制是再好不过的了。主要挑战在于如何让天线紧凑小巧（比如用于手机），并保证自干扰不会随着电磁环境的每一次变化而一再出现。换言之，我们需要智能天线。

这种智能天线不仅要能够操控无线电波的明显电子特性（幅度、相位和频率），还要能处理一个额外的维度，即电波极化。一个无线电波实际上是两个场的结合，一个是电场，另一个是磁场——因此构成了"电磁"一词。每个场都在给定的频率上震荡，电场的震荡诱发磁场，反之亦然。这两个场是垂直的，它们在空间的指向方式叫做极化。极化方向不同的电磁波可以互相通过而不会产生干扰。

本文作者之一（Krishnaswamy）和他的博士生拓尔加·丁克（Tolga Dinc）在一对小巧的天线（4.6吉赫）中利用极化来实现双工，这一对天线一个用做发射器，另一个用做接收器。我们可以把它们挨着放在一起，因为进出这两条天线的无线电波彼此正交极化，能够有效地实现分隔。但是，这种隔离虽然最大程度地减少了自干扰，但并未使其完全消除。因此，我们还在接收天线中安装了一个使发射天线去极化的端口。该端口提取一小部分发射信号作为样本，通过滤波器对信号进行调整，然后将其传递给接收器端口。结果显示，干扰消除结果近乎完美。由于可对该滤波器进行现场编程，因此它可以对回波消除进行重新配置，以满足不断变化的电磁环境的需求。

我们的原型机能够在300兆赫带宽上实现50分贝的分隔，这意味5个数量级或者10万倍的隔离效果。这一隔离效果是非极化消除隔离效果的1000倍。即便我们在天线旁边放置一个强反射的金属板来增强自干扰，也仍然能够通过重新配置系统，完全实现回波消除的效果。

我们这种采用回波消除技术协调天线设计的方法能够方便地适配30吉赫及更高的频率。在那部分频谱中，波长仅以毫米计量，所以收发天线也很小。

这些高频率对于下一代通信网络来说特别有优势，因为它们比现有无线电频率提供的带宽宽得多。我们已经部署了一个60吉赫的全双工收发器集成电路，同时采用了我们可配置的极化天线干扰消除技术以及RF和数字消除技术。该装置在1吉赫带宽上实现了近80分贝（10亿倍）的自干扰抑制，从而在近1米的距离上实现了世界上第一个毫米波全双工链路。对于毫米波链路来说，这个距离已经相当难得了，正在考虑将其用于各种短距离应用，例如无线USB连接。

我们的系统可以用于Wi-Fi，也可以用于蜂窝网络。蜂窝网络难度更大一些，因为每一个链路都必须由基站的细致协调，可能给不同的用户分配不同的频率，完美规划使用时间。而Wi-Fi是自由开放的，没有上述限制。此外，蜂窝电话发射距离可达1千米或更长，但是Wi-Fi的距离只有几十米，产生的信号数量更少，功率也低得多，这使回波消除更加容易。

本文作者之一祖斯曼(Zussman)和他的学生叶连娜·玛拉赛维奇（Jelena Maraševi?）分析了在实际芯片上（而不是像其他人那样只在理想化的情形下）运行全双工所带来的益处。他们发现，你不能总是想当然地认为回波消除是完美的：即便你完成了所有回波消除工作，仍会有微弱的回波残留，接收信号的强度需要远高于残留的微弱回波。

同时，还必须先解决若干问题，然后我们才能宣布完全实现了无线全双工。首先，若想充分利用片上双工紧凑小巧的特点，我们必须构建一个环形器，该器件在发射器和接收器之间共享一个天线。这并非易事，因为这样的环形器必须是非互易的，即其处理传入信号和处理传出信号的方法必须不同。只有这样，一个天线才能同时作为发射器和接收器。

但是根据信号传输的方向采用不同方法处理信号，违反了洛伦兹互易定理这个基本物理法则。幸运的是，这一法则只适用于大多数的材料和系统。铁氧体是一个例外，研究人员多年来确实在使用铁氧体制作非互易性环形器。

当电磁波向一个方向移动时，铁氧体材料相对于移动轴顺时针扭转电磁波；而当电磁波向另一个方向移动时，逆时针扭转电磁波。但是，铁氧体环形器无法放置在芯片上，所以我们用了另一种方法——用开关，也就是晶体管来扭转电磁波。

今年4月，本文作者之一（Krishnaswamy）和他的博士生奈格尔·雷思卡李米安（NegarReiskarimian）做出了一个使用晶体管来模仿铁氧体功能的非易性环形器。这是第一个建在芯片上的此类元件，我们把它集成到一个单芯片、全双工的回波消除接收器中。结果是实现了单天线全双工。

第二个挑战是要把我们的自干扰消除方法延伸用于多输入多输出（MIMO）收发器上。这种收发器常用于基站中，可以在多个并行流上发射，大大地增加了数据速率。遗憾的是，自干扰会破坏每一对发射器和接收器，如果你想用滤波器来处理每一对收发器，那么复杂程度将随MIMO元素的数量呈指数增长。这的确是个难题，我们已经有了一些想法，但是仍有很多工作要做。

但即便是现在，我们预计也可以在芯片上使用全双工来改善现有无线系统的关键性能。第一批应用两年之内或许就会出现，应该会用于短距离无线链路和系统，例如Wi-Fi，这些设备中，接收信号的信噪比通常较高。将这种技术用于自干扰信号更强的蜂窝电话则可能要花费5年的时间。另一个可以受益的应用是固定点到点的微波和毫米波回程和中继，它们是电信网络的骨干。

无线行业的很多大公司都对我们的工作表现出了兴趣，高通等公司甚至已经为我们提供了资金。我们还收到了美国国防部高级研究项目局和美国国家科学基金会的资助。

通过5年的全力以赴，我们希望将全双工用于小型蜂窝网络。我们相信，终有一天，我们所有的无线设备都能够通过一个天线，在一个芯片内和一个信道上同时实现听说功能。