一個芯片，兩倍帶寬 一個可以同時收發信號的單天線芯片能夠使電話網絡的數據容量翻倍

今天的無線電技術與一個世紀前的無線電技術幾乎完全不同。無數的技術進步使無線電設備更小巧、更可靠，電力和帶寬的使用效率更高。但是，仍然存在一個很大的限制因素：無線電設備仍舊無法在一個頻率上同時收發信號。這種在相同頻率上同時收發的能力叫做全雙工，對于無線網來說將是一個巨大的進步。它能夠瞬間使網絡承載數據的物理能力，即網絡容量翻倍。目前，閑置無線電頻譜已被挖掘得近乎枯竭，而數據需求卻在不斷增加（新興5G網絡的數據流量預計將增加1000倍）。在這個時候，全雙工無線已經成為緩解頻譜危機方法之探的希望。現在，我們終于證明了全雙工無線系統是實際可行并可靠的。

在哥倫比亞大學實驗室下所進行的FlexICoN項目，以及歐洲開展的DUPLO initiative項目，都已說明了如何在目前計算和通信設備普遍使用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路中實現全雙工操作。這項工作是幾年前首次技術展示的延續。首次技術展示分屬萊斯大學和斯坦福大學的不同項目，是利用實驗室臺式設備完成的第一批演示。斯坦福的研究項目后來衍生為一家創業公司：KumuNetworks。該公司利用分立元件在基站和基礎設施側實現了全雙工，因為基站和基礎設施對成本和尺寸的限制不像手機那么嚴格。

在有線世界里，雙工電路是老古董了。前電子時代早期的電話機手持話筒可以通過一個混合變壓器電路將聽筒與話筒分離，從而能夠同時在一個信道上傳送和接收信號；這樣，輸出和返回的信號就可以在一對絞線中分別通過，而不會彼此干擾。

在無線領域，全雙工概念始于20世紀70年代。當時，Plessey Groundsat系統可以在30～76兆赫甚高頻（VHF）頻段的信道上，為士兵提供全雙工無線電通信。但是，當時這一功能只能在資金充足且發射和接收天線可以拉開一定距離的情況下才能實現。現今的軍事系統使用光子技術將接收器和發射器分隔，以實現在一個頻率信道上同時收發信號。

但是將全雙工技術用于民用設施，如蜂窩通信和Wi-Fi，則比較困難，因為民用設備往往緊湊小巧，信號傳輸會在接收器中產生大量自干擾或回波。這種回波的強度可以比需要檢測到的信號強度高出十億至萬億倍，若想要系統正常工作，就必須非常非常精確地消除這種回波。

相比于民用系統，軍事系統可以容忍更多的重量、體積和成本，從而可以努力追求實現全雙工。為了將這一技術用于智能手機等消費產品，研究人員必須在天線、電路設計和算法方面推出新技術。

這就是為什么今天的無線網絡只是半雙工。發射器和接收器在不同的時隙發射和接收（稱為時分雙工，TDD），或者同時在不同的頻率上發射和接收（稱為頻分雙工，FDD）。由于時間或頻率資源只在部分時間得到使用，所以這種網絡的容量只有理想的全雙工網絡基本網絡容量的一半。

從半雙工走向全雙工需要解決一個基本問題：一個無線設備之所以無法同時發射和接收信號，與你無法在大聲喊叫的同時聽到微弱耳語聲的原因是一樣的——干擾聲比信號聲更大。要想消除接收器中的干擾，可以通過在接收器處抵消掉已知的發射器信號來實現。但這項任務并不像說起來這么簡單。要記住，回波的音量是你努力要聽到的信號音量的十億到萬億倍，所以必須極其精確地消除回音。這意味著要消除多個區域的干擾：無線電頻率、模擬、數字，甚至是天線接口處，我們稍后會對此進行說明。每個區域的干擾消除必須和所有區域的干擾消除進行協調。

此外，發射器的信號并不完全是已知的。發射器信號在進入接收器中時，在天線接口中會產生頻率失真。更糟糕的是，發射器信號會從附近物體上反射出去，沿著不同的路徑在不同時間到達接收器。因此，要想獲得近乎完美的回波消除效果（即構建一種回波來抵消原有的回波，使其大幅降低，比如降到低于原來的十億分之一），必須非常準確地確定并復制從發射器到接收器的無線自干擾信道。

干擾信號當然是在模擬電路中接收，在理想情況下，它們會被立即轉交給數字電路，以更靈活的方式加以處理。但是在全雙工中，回波如此強大，導致模擬電路轉交的是嚴重失真的回波。所以我們必須先在模擬電路區域消除一部分干擾。

一種方法叫做時域消除法。發射器的干擾信號到達接收器時，其反射信號（被附近物體反射后所形成）會經過一定時延后到達接收器。如果想讓抵消信號與干擾信號同步，就必須讓抵消信號通過預設的路徑（也許有幾厘米長），以模仿干擾信號的時延。問題是，一個集成電路本身遠不足1平方厘米，所以這種時域消除法不能在芯片上實現。

因此，本文作者之一(Krishnaswamy)和他的博士生周瑾（Jin Zhou，音）提出了另一種方法：頻域均衡法。這種方法的工作原理和立體聲系統中的均衡器有些相似，在特別的頻段上調整音頻信號的強度。為了把信號分為可以單獨操縱的多個頻段，我們使用多個濾波器，每個濾波器都有非常靈敏的頻率響應能力（或高頻率因子）；這些濾波器接收傳入的信號，但只有范圍非常有限的頻率才能通過。我們在整個信號頻譜中放置了很多不同頻率的濾波器。

以前，在芯片上做出靈敏的無線電頻率濾波器是不可能的。而我們利用一個電路設計技巧在納米級CMOS芯片上做出了這種濾波器，稱為N-path濾波器。傳統的濾波器使用電感器和電容器，電感器很難放在芯片上。而N-path濾波器使用的是開關，也就是集成電路技術最基本的東西——晶體管。

其他團隊也把N-path濾波器放置在了芯片上，但我們是第一個將N-path濾波器用于頻域均衡的團隊。結果顯示，在全雙工無線電系統中，在很寬的頻帶上完成了回波消除。

在我們的系統中，眾多N-path濾波器分接一小部分發射器信號。接下來，將無線電頻率（RF）信號分成兩個頻段（兩個以上也可以）。然后，調整每個頻段中的信號，模仿抵達接收器的自干擾。

該多頻段方法將帶寬分成小段，這種各個擊破的戰略使我們更容易調節每一段帶寬，即進行功率和相位調整。電路系統根據為頻段指配的權重進行調節。還是用音頻來做比喻，這就像是調高低音、調低高音，還有其他調節，使輸出信號與出入信號匹配。

下一步是讓權重處理自動化，以便輸出信號隨著環境變化而變化。當然，環境變化是動態的，每秒都有波動，所以處理不得不自動化。我們已經做了一些頗有前景的初步自動化演示，但是這方面還有更多工作要做。

我們設計了一個接收兼消除干擾的原型，然后用65納米CMOS技術制將其做了出來。我們的全雙工接收器可以在0.8到1.4吉赫中的任一頻率上工作，RF自干擾消除器負責抑制發射器干擾，適用于各種天線，帶寬大約是現有傳統干擾消除技術的10倍。我們只用了兩個N-path濾波器就實現了10倍的性能優勢。這已經足以兼容許多先進的無線標準，包括LTE和Wi-Fi。如果增加濾波器的數量，干擾消除帶寬會更大。

這種基于頻率的消除方法的另一個優勢是，能與現有多頻段的頻分雙工無線系統兼容。如前所述，FDD是一種半雙工技術，其中發射器和接收器可同時在不同頻率上工作。它要求雙工濾波器在共用天線中將發射器和接收器分開。由于這些芯片外的雙工濾波器無法調諧，所以，現今的智能手機要用一個單獨的雙工濾波器來支持每一個FDD頻段——4G LTE支持25個頻段，因此需要25個雙工濾波器！

若想降低手機無線電元件的體積和成本，只需用幾個可調諧雙工器件替代那些濾波器即可，但是這種可調諧的雙工器件在分離發射器和接收器方面通常不如固定頻率的雙工器有效，因此，接收器特別容易受到發射器自干擾的影響。這就需要消除自干擾。

自干擾的切入點在于天線，所以在干擾信號漏入接收器之前，就在天線處將其抑制是再好不過的了。主要挑戰在于如何讓天線緊湊小巧（比如用于手機），并保證自干擾不會隨著電磁環境的每一次變化而一再出現。換言之，我們需要智能天線。

這種智能天線不僅要能夠操控無線電波的明顯電子特性（幅度、相位和頻率），還要能處理一個額外的維度，即電波極化。一個無線電波實際上是兩個場的結合，一個是電場，另一個是磁場——因此構成了“電磁”一詞。每個場都在給定的頻率上震蕩，電場的震蕩誘發磁場，反之亦然。這兩個場是垂直的，它們在空間的指向方式叫做極化。極化方向不同的電磁波可以互相通過而不會產生干擾。

本文作者之一（Krishnaswamy）和他的博士生拓爾加·丁克（Tolga Dinc）在一對小巧的天線（4.6吉赫）中利用極化來實現雙工，這一對天線一個用做發射器，另一個用做接收器。我們可以把它們挨著放在一起，因為進出這兩條天線的無線電波彼此正交極化，能夠有效地實現分隔。但是，這種隔離雖然最大程度地減少了自干擾，但并未使其完全消除。因此，我們還在接收天線中安裝了一個使發射天線去極化的端口。該端口提取一小部分發射信號作為樣本，通過濾波器對信號進行調整，然后將其傳遞給接收器端口。結果顯示，干擾消除結果近乎完美。由于可對該濾波器進行現場編程，因此它可以對回波消除進行重新配置，以滿足不斷變化的電磁環境的需求。

我們的原型機能夠在300兆赫帶寬上實現50分貝的分隔，這意味5個數量級或者10萬倍的隔離效果。這一隔離效果是非極化消除隔離效果的1000倍。即便我們在天線旁邊放置一個強反射的金屬板來增強自干擾，也仍然能夠通過重新配置系統，完全實現回波消除的效果。

我們這種采用回波消除技術協調天線設計的方法能夠方便地適配30吉赫及更高的頻率。在那部分頻譜中，波長僅以毫米計量，所以收發天線也很小。

這些高頻率對于下一代通信網絡來說特別有優勢，因為它們比現有無線電頻率提供的帶寬寬得多。我們已經部署了一個60吉赫的全雙工收發器集成電路，同時采用了我們可配置的極化天線干擾消除技術以及RF和數字消除技術。該裝置在1吉赫帶寬上實現了近80分貝（10億倍）的自干擾抑制，從而在近1米的距離上實現了世界上第一個毫米波全雙工鏈路。對于毫米波鏈路來說，這個距離已經相當難得了，正在考慮將其用于各種短距離應用，例如無線USB連接。

我們的系統可以用于Wi-Fi，也可以用于蜂窩網絡。蜂窩網絡難度更大一些，因為每一個鏈路都必須由基站的細致協調，可能給不同的用戶分配不同的頻率，完美規劃使用時間。而Wi-Fi是自由開放的，沒有上述限制。此外，蜂窩電話發射距離可達1千米或更長，但是Wi-Fi的距離只有幾十米，產生的信號數量更少，功率也低得多，這使回波消除更加容易。

本文作者之一祖斯曼(Zussman)和他的學生葉連娜·瑪拉賽維奇（Jelena Maraševi?）分析了在實際芯片上（而不是像其他人那樣只在理想化的情形下）運行全雙工所帶來的益處。他們發現，你不能總是想當然地認為回波消除是完美的：即便你完成了所有回波消除工作，仍會有微弱的回波殘留，接收信號的強度需要遠高于殘留的微弱回波。

同時，還必須先解決若干問題，然后我們才能宣布完全實現了無線全雙工。首先，若想充分利用片上雙工緊湊小巧的特點，我們必須構建一個環形器，該器件在發射器和接收器之間共享一個天線。這并非易事，因為這樣的環形器必須是非互易的，即其處理傳入信號和處理傳出信號的方法必須不同。只有這樣，一個天線才能同時作為發射器和接收器。

但是根據信號傳輸的方向采用不同方法處理信號，違反了洛倫茲互易定理這個基本物理法則。幸運的是，這一法則只適用于大多數的材料和系統。鐵氧體是一個例外，研究人員多年來確實在使用鐵氧體制作非互易性環形器。

當電磁波向一個方向移動時，鐵氧體材料相對于移動軸順時針扭轉電磁波；而當電磁波向另一個方向移動時，逆時針扭轉電磁波。但是，鐵氧體環形器無法放置在芯片上，所以我們用了另一種方法——用開關，也就是晶體管來扭轉電磁波。

今年4月，本文作者之一（Krishnaswamy）和他的博士生奈格爾·雷思卡李米安（NegarReiskarimian）做出了一個使用晶體管來模仿鐵氧體功能的非易性環形器。這是第一個建在芯片上的此類元件，我們把它集成到一個單芯片、全雙工的回波消除接收器中。結果是實現了單天線全雙工。

第二個挑戰是要把我們的自干擾消除方法延伸用于多輸入多輸出（MIMO）收發器上。這種收發器常用于基站中，可以在多個并行流上發射，大大地增加了數據速率。遺憾的是，自干擾會破壞每一對發射器和接收器，如果你想用濾波器來處理每一對收發器，那么復雜程度將隨MIMO元素的數量呈指數增長。這的確是個難題，我們已經有了一些想法，但是仍有很多工作要做。

但即便是現在，我們預計也可以在芯片上使用全雙工來改善現有無線系統的關鍵性能。第一批應用兩年之內或許就會出現，應該會用于短距離無線鏈路和系統，例如Wi-Fi，這些設備中，接收信號的信噪比通常較高。將這種技術用于自干擾信號更強的蜂窩電話則可能要花費5年的時間。另一個可以受益的應用是固定點到點的微波和毫米波回程和中繼，它們是電信網絡的骨干。

無線行業的很多大公司都對我們的工作表現出了興趣，高通等公司甚至已經為我們提供了資金。我們還收到了美國國防部高級研究項目局和美國國家科學基金會的資助。

通過5年的全力以赴，我們希望將全雙工用于小型蜂窩網絡。我們相信，終有一天，我們所有的無線設備都能夠通過一個天線，在一個芯片內和一個信道上同時實現聽說功能。