全双工无线系统如何做到使带宽翻倍

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。