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