全双工无线仍然是一个承诺和挑战

如果我们可以使用全双工通信，无线带宽容量可以翻倍。不幸的是，这并不像听起来那么容易。人们正在努力工作，但我们大多数人还没有达到目标。

全双工似乎很容易。事实上，它是如此简单，以至于用最早的基本电话就可以做到。在每个电话和中央办公室之间有一个环路，这个环路可以在两个方向上进行通话。为什么我们没能听到双方的对话?因为我们只是简单地减去了我们在发送端说的话——我们有一个完美的信号可以减去——然后我们就剩下了接收到的对话。(我们把传送的信号留了一点在耳朵里，因为这听起来比空谈要好。)

那么，如果早在20世纪初，我们就可以使用一个单一的通道进行发送和接收，那么是什么阻止我们使用现代手机呢?不仅是手机，还有WiFi、蓝牙、ZigBee以及任何通过空气发送和接收信号的设备。

Gent Paparisto是AWR集团的解决方案架构师Cadence设计系统他描述说，无线技术通过两种方式之一来分离发射和接收信号。使用频分双工(FDD)，分配两个单独的频段，一个用于发射，一个用于接收。相比之下，在时分双工(TDD)技术中，单个信道在接收信道、发送方和接收方的时间上进行交替。无论我们使用FDD还是TDD，我们都在发送和接收信号之间划分带宽。对于全双工，即使用相同的频带进行全天候的发送和接收，我们可以将可用带宽增加一倍。

帕帕里斯托指出，有些系统希望避免这种分离。当脉冲多普勒雷达发送脉冲并等待返回时，用于汽车等应用的新雷达不断发送，因此它们无法在同一频道上腾出时间接收返回信号。TDD在那里行不通。

另一个好处是手机过滤器的数量会减少。“现在，手机里有很多过滤器。在给定的频率范围内，你只需要一个过滤器(用于发射和接收)，而不是两个(每个都有一个)，”帕帕里斯托说。

在接收安静信号时大声发射
肖恩木匠,有限元分析软件高级产品经理指出，无线手机和原始手机的最大区别就在于电线。导线是一种干净、可控、稳定、特性良好的通道。信号能以最小的衰减传播距离。卡彭特说:“对于无线信号，信号强度的衰减与它传播距离的平方成正比。”“你在发射一个强信号的同时，试图接收一个可能比你发射的信号弱10个数量级的信号。”

帕帕里斯托补充说，在普通的老式电话系统中，一切都是模拟的。“在电线或光纤中(传播)损耗要小得多。使用无线技术，如果你以30 dBm的速度传输，你可能会收到-90 dBm的信号。这是120分贝的差别。”

回声或多路径问题是这款手机不像旧手机的另一个原因。传输的信号可能会经过一个迂回的路径到达预定的接收器，可能会在一些建筑物或墙壁上反弹以绕过其他障碍。但这些反射也会返回到发射机。所以仅仅减去传输的信号是不够的因为它会以反射的形式返回，而且可能会多次。长时间的反射可能会被衰减，但是像金属家具这样的室内障碍物可能会在发射机附近引起快速、强烈的反射。

有几种方法正在研究以解决这一挑战。第一个是最明显的，即发射和接收天线之间的隔离。帕帕里斯托说:“在某些情况下，发射和接收可能共用一个天线，然后立即分开。”“但在很多情况下，物理天线是不同的。”

下一个技术是直接的-射频或模拟对消。“你对传输的信号有一个概念，然后处理相位和振幅。有很多技术可以做到这一点，”他说。

但好处也是有限的。卡朋特指出:“这可以为你提供所需动态范围的三分之一到一半。“它适用于窄带，但更宽的带宽可能更难取消。”

下一个技术是数字对消。这涉及到转换到数字领域和使用DSP计算抵消的算法。卡朋特说:“你必须同时进行射频消除。”

两者一起工作比单独工作更好。帕帕里斯托说，在数字领域，“你可以获得更多的能量来抵消信号”。“但这需要大量的计算。”

Kumu Networks利用了这种组合方法及其自抵消技术。该公司用模拟滤波技术补充数字技术。Kumu产品管理副总裁Joel Brand表示:“如果你能做到，数字化通常是实现思维的正确方式。“通常有更多的人和组织可以开发数字解决方案。数字解决方案可以更好地小型化。在大多数情况下，数字领域无法完全取消。我们并没有试图用数字解决方案来完成。我们正试图在模拟领域取消足够多的数字解决方案，以便(来自我们或其他人的)数字解决方案能够发挥作用。”

图1:黄线为原始信号;蓝色表示模拟对消;绿色表示数字抵消，总共约85分贝。来源:Kumu Networks

Kumu在载波频率上做了一些模拟抵消，在中频上做了一些模拟抵消。布兰德说:“我们必须取消可能在1.4 μs后到达的多径反射。”“我们使用FIR滤波器来处理这段时间内的多次反射。”

该公司声称可以消除85到90分贝，其中模拟域约50分贝，数字域约50分贝。

图2:Kumu Networks将能量划分为载波滤波和中频滤波。来源:Kumu Networks

但即使这样也可能不足以实现全双工。“为了在全双工模式下工作，需要降低无线电的输出功率，几乎达到噪声底(NF)。例如，如果我们以一个1瓦(+30 dBm)具有-100 dBm NF的收音机为例，您将需要130 dB的抵消。这只是一个例子。你可以将这些数字调整到任何功率水平和带宽，”Brand补充道。

对于非常特殊的应用，Kumu已经实现了全双工。他说:“为了提高我们(大约)100分贝的抵消效果，我们进一步隔离了发射机和接收机，使用了两个彼此隔离30分贝的天线。”“这就是我们在全双工模式下操作继电器和IABs(集成接入和回程)的方式。”这种全双工的使用最初是由运营商要求的，用于临时扩展蜂窝容量的易于安装的盒子，例如特殊事件或紧急情况。现在，该公司开始更广泛地实现全双工——不是在电话和基站之间，而是在继电器和IABs中。

他指出，在一些应用中，缺少全双工的对消仍然是有用的，特别是当独立的无线电位于附近并工作在附近的频率时。他说:“这是飞机上的一个常见问题，因为卫星通信和雷达工作在附近的频率。”所以自抵消更常见的应用是避免同一频段不同协议之间的干扰，比如WiFi和蓝牙。

利用天线系统
为了更接近全双工，Ansys的Carpenter确定了第三种抵消技术，可以添加到射频和数字抵消中- MIMO(多输入/多输出天线)或天线抵消。这是特别有趣的5克领域。这个想法最容易用两个天线来描述。如果两者都发射相同的信号，那么这两个信号就会在太空中相互干扰。组合信号中空值或节点的位置将取决于两个天线之间的相位关系。

理想情况下，您希望本地接收器位于可以消除传输信号的地方。当你有一个静态的物理安排时，这是典型的WiFi，你可以通过将本地接收器放置在这些空值之一来获得更多的取消。这也被称为“空间零化”，但它可能并不容易。对于5G这样的移动技术来说，事情变得更加困难。

为了与远端用户通信，5G基站天线将通过上行链路通道测量从远端接收到的信号，上行链路通道希望相对接近发射频率。基于该信号，它将计算如何最好地将其传输的信号引导到远端。

“如果有直接的视线(LOS)连接到远处的接收器，那么这是一个简单的计算，”卡彭特说。“但如果远处的接收器不在视线范围内，那么我们必须计算正确的方向来推动我们的能量，以便最大限度的能量落在我们的目标接收器上。对于非los通信，这可能会导致一些奇怪而有趣的复合辐射模式(光束)，在某些情况下，这实际上可能会在多个路径之间分割能量。”

由于这种波束形成，从每个天线发射的信号的性质将随时间而变化。这意味着局部空值也会移动。卡朋特说:“对于电子可控的相控阵天线来说，实现空间消零将是一个巨大的挑战。”“传输能量零点的位置将非常难以定位，并且可能会不断地移动，这取决于天线将在瞬间发展的各种波束。”

换句话说，为了传递信号而在远端最大化功率的需求与在本地接收器附近使用局部空值来取消发射信号的需求相竞争。他说:“目前(以我有限的知识)，我看不出毫米波5G基站阵列有办法解决这个问题。”

早期的Ansys客户正在考虑更大的天线阵列(8×8或16×16)，每个天线与相邻天线的距离大约为半个波长。他们可以在全双工模式下操作这些设备，或者使用一个阵列进行发射，一个阵列用于接收，甚至有一个2×2阵列，其中它们的极化不同。

在蜂窝应用程序中，天线直接与移动用户通信，它们可以查看每个用户的上行链路信号，以计算预编码器权重，从而为每个用户独立优化波束。在信号混合到射频之前，这是在每个用户的基带级上完成的。这必须重复进行，因为订阅者可能会移动。

帕帕里斯托解释说，你需要担心的不是载波频率。而是数据带宽本身，它会低得多。目前，这样的频率在80到100 MHz范围内。使用5G时，频率可达1至2 GHz。他指出，在商业世界中，你会受到标准和互操作需求的限制，因此个人设计师无法灵活地处理信号格式。“但如果你在军事/航空航天领域，你可能会有更多的灵活性。”

帕帕里斯托指出，扩频技术尤其如此。在这里，数据流在近端被分配一个扩频码，将数据划分到许多不同的频率，每个频率都是低功率的。在信道远端的接收器将知道扩频码，并能检索信号。但从远端返回的信号将使用不同的扩频码进行编码。这意味着近端接收端将使用该代码接收它。因此，发射和接收的信号很可能有不同频率的功率贡献，从而更容易将它们分开。

帕帕里斯托说，现在有一些短链接可以使用全双工，比如从一个校园的一栋楼到另一栋楼。但这些通常是自定义链接。全双工还没有部署到较长距离的通用链路上。Kumu Networks似乎是个例外。

设计困难的芯片
然而，所有这些工作的关键是可以在这些高频率下工作的RF ic。由于需要管理泄漏效应、杂散场和接地问题，这样的射频芯片设计起来非常困难。对于全双工来说，消去变得更加困难。“这需要非常精确，”卡朋特说。

大多数RF ic将使用45和60nm节点，它们需要III-V材料。Carpenter说:“线性元件因此非常庞大，尤其是电感器。“很难阻止泄漏和耦合;很难调到尖锐的q。”

在全双工成为主流现实之前，Carpenter指出了一些仍然存在的挑战:

• 其中许多DSP技术在窄带上最有效。要让它们适用于宽频带，还有很多工作要做。
• MIMO技术需要更多的工作。
• 要实现这一功能还需要一些工作——比如，一个射频芯片加上一个构建在激进CMOS工艺节点上的数字芯片。
• 虽然5G是一个重要的驱动因素，但这些技术也可以应用于多个频段和协议，如WiFi、蓝牙和ZigBee。
• 随着新功能的逐步推出，如何避免频谱过度拥挤将是一个挑战。

帕帕里斯托也认为还有很多工作要做。当被问及他对这种情况何时会发生的猜测时，他形容这种情况是由标准驱动的。“如果供应商发现他们(使用目前可用的技术)已经尽可能多地使用了所有频率，那么他们可能会转向(全双工)。”这意味着他们将与标准小组接触，后者将开始协商如何将其添加到标准中。这将需要超越纯粹的研究，看看在规范中包含什么是可行的和合理的。一旦标准更新，那么商业产品就可以出现。

但这可能是分阶段推出的。早期的手机仍然需要支持。今天，频率是为FDD和TDD保留的。当全双工可用时，需要保留一些。一旦FDD和TDD不再被正在使用的手机社区所使用，那么FDD和TDD的频谱就可以被回收为全双工。帕帕里斯托认为，在未来几年里，这个方向会有压力。