一個(gè)芯片，兩倍帶寬 一個(gè)可以同時(shí)收發(fā)信號的單天線芯片能夠使電話網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量翻倍

今天的無線電技術(shù)與一個(gè)世紀(jì)前的無線電技術(shù)幾乎完全不同。無數(shù)的技術(shù)進(jìn)步使無線電設(shè)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(gè)很大的限制因素：無線電設(shè)備仍舊無法在一個(gè)頻率上同時(shí)收發(fā)信號。這種在相同頻率上同時(shí)收發(fā)的能力叫做全雙工，對于無線網(wǎng)來說將是一個(gè)巨大的進(jìn)步。它能夠瞬間使網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)的物理能力，即網(wǎng)絡(luò)容量翻倍。目前，閑置無線電頻譜已被挖掘得近乎枯竭，而數(shù)據(jù)需求卻在不斷增加（新興5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)將增加1000倍）。在這個(gè)時(shí)候，全雙工無線已經(jīng)成為緩解頻譜危機(jī)方法之探的希望?，F(xiàn)在，我們終于證明了全雙工無線系統(tǒng)是實(shí)際可行并可靠的。

在哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)室下所進(jìn)行的FlexICoN項(xiàng)目，以及歐洲開展的DUPLO initiative項(xiàng)目，都已說明了如何在目前計(jì)算和通信設(shè)備普遍使用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成電路中實(shí)現(xiàn)全雙工操作。這項(xiàng)工作是幾年前首次技術(shù)展示的延續(xù)。首次技術(shù)展示分屬萊斯大學(xué)和斯坦福大學(xué)的不同項(xiàng)目，是利用實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式設(shè)備完成的第一批演示。斯坦福的研究項(xiàng)目后來衍生為一家創(chuàng)業(yè)公司：KumuNetworks。該公司利用分立元件在基站和基礎(chǔ)設(shè)施側(cè)實(shí)現(xiàn)了全雙工，因?yàn)榛竞突A(chǔ)設(shè)施對成本和尺寸的限制不像手機(jī)那么嚴(yán)格。

在有線世界里，雙工電路是老古董了。前電子時(shí)代早期的電話機(jī)手持話筒可以通過一個(gè)混合變壓器電路將聽筒與話筒分離，從而能夠同時(shí)在一個(gè)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(huì)彼此干擾。

在無線領(lǐng)域，全雙工概念始于20世紀(jì)70年代。當(dāng)時(shí)，Plessey Groundsat系統(tǒng)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(dāng)時(shí)這一功能只能在資金充足且發(fā)射和接收天線可以拉開一定距離的情況下才能實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)今的軍事系統(tǒng)使用光子技術(shù)將接收器和發(fā)射器分隔，以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)頻率信道上同時(shí)收發(fā)信號。

但是將全雙工技術(shù)用于民用設(shè)施，如蜂窩通信和Wi-Fi，則比較困難，因?yàn)槊裼迷O(shè)備往往緊湊小巧，信號傳輸會(huì)在接收器中產(chǎn)生大量自干擾或回波。這種回波的強(qiáng)度可以比需要檢測到的信號強(qiáng)度高出十億至萬億倍，若想要系統(tǒng)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(tǒng)，軍事系統(tǒng)可以容忍更多的重量、體積和成本，從而可以努力追求實(shí)現(xiàn)全雙工。為了將這一技術(shù)用于智能手機(jī)等消費(fèi)產(chǎn)品，研究人員必須在天線、電路設(shè)計(jì)和算法方面推出新技術(shù)。

這就是為什么今天的無線網(wǎng)絡(luò)只是半雙工。發(fā)射器和接收器在不同的時(shí)隙發(fā)射和接收（稱為時(shí)分雙工，TDD），或者同時(shí)在不同的頻率上發(fā)射和接收（稱為頻分雙工，F(xiàn)DD）。由于時(shí)間或頻率資源只在部分時(shí)間得到使用，所以這種網(wǎng)絡(luò)的容量只有理想的全雙工網(wǎng)絡(luò)基本網(wǎng)絡(luò)容量的一半。

從半雙工走向全雙工需要解決一個(gè)基本問題：一個(gè)無線設(shè)備之所以無法同時(shí)發(fā)射和接收信號，與你無法在大聲喊叫的同時(shí)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(fā)射器信號來實(shí)現(xiàn)。但這項(xiàng)任務(wù)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(gè)區(qū)域的干擾：無線電頻率、模擬、數(shù)字，甚至是天線接口處，我們稍后會(huì)對此進(jìn)行說明。每個(gè)區(qū)域的干擾消除必須和所有區(qū)域的干擾消除進(jìn)行協(xié)調(diào)。

此外，發(fā)射器的信號并不完全是已知的。發(fā)射器信號在進(jìn)入接收器中時(shí)，在天線接口中會(huì)產(chǎn)生頻率失真。更糟糕的是，發(fā)射器信號會(huì)從附近物體上反射出去，沿著不同的路徑在不同時(shí)間到達(dá)接收器。因此，要想獲得近乎完美的回波消除效果（即構(gòu)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(zhǔn)確地確定并復(fù)制從發(fā)射器到接收器的無線自干擾信道。

干擾信號當(dāng)然是在模擬電路中接收，在理想情況下，它們會(huì)被立即轉(zhuǎn)交給數(shù)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(qiáng)大，導(dǎo)致模擬電路轉(zhuǎn)交的是嚴(yán)重失真的回波。所以我們必須先在模擬電路區(qū)域消除一部分干擾。

一種方法叫做時(shí)域消除法。發(fā)射器的干擾信號到達(dá)接收器時(shí)，其反射信號（被附近物體反射后所形成）會(huì)經(jīng)過一定時(shí)延后到達(dá)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(yù)設(shè)的路徑（也許有幾厘米長），以模仿干擾信號的時(shí)延。問題是，一個(gè)集成電路本身遠(yuǎn)不足1平方厘米，所以這種時(shí)域消除法不能在芯片上實(shí)現(xiàn)。

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(tǒng)中的均衡器有些相似，在特別的頻段上調(diào)整音頻信號的強(qiáng)度。為了把信號分為可以單獨(dú)操縱的多個(gè)頻段，我們使用多個(gè)濾波器，每個(gè)濾波器都有非常靈敏的頻率響應(yīng)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(gè)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(gè)電路設(shè)計(jì)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(tǒng)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(guān)，也就是集成電路技術(shù)最基本的東西——晶體管。

其他團(tuán)隊(duì)也把N-path濾波器放置在了芯片上，但我們是第一個(gè)將N-path濾波器用于頻域均衡的團(tuán)隊(duì)。結(jié)果顯示，在全雙工無線電系統(tǒng)中，在很寬的頻帶上完成了回波消除。

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

該多頻段方法將帶寬分成小段，這種各個(gè)擊破的戰(zhàn)略使我們更容易調(diào)節(jié)每一段帶寬，即進(jìn)行功率和相位調(diào)整。電路系統(tǒng)根據(jù)為頻段指配的權(quán)重進(jìn)行調(diào)節(jié)。還是用音頻來做比喻，這就像是調(diào)高低音、調(diào)低高音，還有其他調(diào)節(jié)，使輸出信號與出入信號匹配。

下一步是讓權(quán)重處理自動(dòng)化，以便輸出信號隨著環(huán)境變化而變化。當(dāng)然，環(huán)境變化是動(dòng)態(tài)的，每秒都有波動(dòng)，所以處理不得不自動(dòng)化。我們已經(jīng)做了一些頗有前景的初步自動(dòng)化演示，但是這方面還有更多工作要做。

我們設(shè)計(jì)了一個(gè)接收兼消除干擾的原型，然后用65納米CMOS技術(shù)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(fù)責(zé)抑制發(fā)射器干擾，適用于各種天線，帶寬大約是現(xiàn)有傳統(tǒng)干擾消除技術(shù)的10倍。我們只用了兩個(gè)N-path濾波器就實(shí)現(xiàn)了10倍的性能優(yōu)勢。這已經(jīng)足以兼容許多先進(jìn)的無線標(biāo)準(zhǔn)，包括LTE和Wi-Fi。如果增加濾波器的數(shù)量，干擾消除帶寬會(huì)更大。

這種基于頻率的消除方法的另一個(gè)優(yōu)勢是，能與現(xiàn)有多頻段的頻分雙工無線系統(tǒng)兼容。如前所述，F(xiàn)DD是一種半雙工技術(shù)，其中發(fā)射器和接收器可同時(shí)在不同頻率上工作。它要求雙工濾波器在共用天線中將發(fā)射器和接收器分開。由于這些芯片外的雙工濾波器無法調(diào)諧，所以，現(xiàn)今的智能手機(jī)要用一個(gè)單獨(dú)的雙工濾波器來支持每一個(gè)FDD頻段——4G LTE支持25個(gè)頻段，因此需要25個(gè)雙工濾波器！

若想降低手機(jī)無線電元件的體積和成本，只需用幾個(gè)可調(diào)諧雙工器件替代那些濾波器即可，但是這種可調(diào)諧的雙工器件在分離發(fā)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(fā)射器自干擾的影響。這就需要消除自干擾。

自干擾的切入點(diǎn)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(zhàn)在于如何讓天線緊湊小巧（比如用于手機(jī)），并保證自干擾不會(huì)隨著電磁環(huán)境的每一次變化而一再出現(xiàn)。換言之，我們需要智能天線。

這種智能天線不僅要能夠操控?zé)o線電波的明顯電子特性（幅度、相位和頻率），還要能處理一個(gè)額外的維度，即電波極化。一個(gè)無線電波實(shí)際上是兩個(gè)場的結(jié)合，一個(gè)是電場，另一個(gè)是磁場——因此構(gòu)成了“電磁”一詞。每個(gè)場都在給定的頻率上震蕩，電場的震蕩誘發(fā)磁場，反之亦然。這兩個(gè)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(huì)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)雙工，這一對天線一個(gè)用做發(fā)射器，另一個(gè)用做接收器。我們可以把它們挨著放在一起，因?yàn)檫M(jìn)出這兩條天線的無線電波彼此正交極化，能夠有效地實(shí)現(xiàn)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(gè)使發(fā)射天線去極化的端口。該端口提取一小部分發(fā)射信號作為樣本，通過濾波器對信號進(jìn)行調(diào)整，然后將其傳遞給接收器端口。結(jié)果顯示，干擾消除結(jié)果近乎完美。由于可對該濾波器進(jìn)行現(xiàn)場編程，因此它可以對回波消除進(jìn)行重新配置，以滿足不斷變化的電磁環(huán)境的需求。

我們的原型機(jī)能夠在300兆赫帶寬上實(shí)現(xiàn)50分貝的分隔，這意味5個(gè)數(shù)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(gè)強(qiáng)反射的金屬板來增強(qiáng)自干擾，也仍然能夠通過重新配置系統(tǒng)，完全實(shí)現(xiàn)回波消除的效果。

我們這種采用回波消除技術(shù)協(xié)調(diào)天線設(shè)計(jì)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(jì)量，所以收發(fā)天線也很小。

這些高頻率對于下一代通信網(wǎng)絡(luò)來說特別有優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈儽痊F(xiàn)有無線電頻率提供的帶寬寬得多。我們已經(jīng)部署了一個(gè)60吉赫的全雙工收發(fā)器集成電路，同時(shí)采用了我們可配置的極化天線干擾消除技術(shù)以及RF和數(shù)字消除技術(shù)。該裝置在1吉赫帶寬上實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)毫米波全雙工鏈路。對于毫米波鏈路來說，這個(gè)距離已經(jīng)相當(dāng)難得了，正在考慮將其用于各種短距離應(yīng)用，例如無線USB連接。

我們的系統(tǒng)可以用于Wi-Fi，也可以用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)難度更大一些，因?yàn)槊恳粋€(gè)鏈路都必須由基站的細(xì)致協(xié)調(diào)，可能給不同的用戶分配不同的頻率，完美規(guī)劃使用時(shí)間。而Wi-Fi是自由開放的，沒有上述限制。此外，蜂窩電話發(fā)射距離可達(dá)1千米或更長，但是Wi-Fi的距離只有幾十米，產(chǎn)生的信號數(shù)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(xué)生葉連娜·瑪拉賽維奇（Jelena Maraševi?）分析了在實(shí)際芯片上（而不是像其他人那樣只在理想化的情形下）運(yùn)行全雙工所帶來的益處。他們發(fā)現(xiàn)，你不能總是想當(dāng)然地認(rèn)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(huì)有微弱的回波殘留，接收信號的強(qiáng)度需要遠(yuǎn)高于殘留的微弱回波。

同時(shí)，還必須先解決若干問題，然后我們才能宣布完全實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，我們必須構(gòu)建一個(gè)環(huán)形器，該器件在發(fā)射器和接收器之間共享一個(gè)天線。這并非易事，因?yàn)檫@樣的環(huán)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(gè)天線才能同時(shí)作為發(fā)射器和接收器。

但是根據(jù)信號傳輸?shù)姆较虿捎貌煌椒ㄌ幚硇盘?，違反了洛倫茲互易定理這個(gè)基本物理法則。幸運(yùn)的是，這一法則只適用于大多數(shù)的材料和系統(tǒng)。鐵氧體是一個(gè)例外，研究人員多年來確實(shí)在使用鐵氧體制作非互易性環(huán)形器。

當(dāng)電磁波向一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，鐵氧體材料相對于移動(dòng)軸順時(shí)針扭轉(zhuǎn)電磁波；而當(dāng)電磁波向另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)電磁波。但是，鐵氧體環(huán)形器無法放置在芯片上，所以我們用了另一種方法——用開關(guān)，也就是晶體管來扭轉(zhuǎn)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(gè)使用晶體管來模仿鐵氧體功能的非易性環(huán)形器。這是第一個(gè)建在芯片上的此類元件，我們把它集成到一個(gè)單芯片、全雙工的回波消除接收器中。結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了單天線全雙工。

第二個(gè)挑戰(zhàn)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(fā)器上。這種收發(fā)器常用于基站中，可以在多個(gè)并行流上發(fā)射，大大地增加了數(shù)據(jù)速率。遺憾的是，自干擾會(huì)破壞每一對發(fā)射器和接收器，如果你想用濾波器來處理每一對收發(fā)器，那么復(fù)雜程度將隨MIMO元素的數(shù)量呈指數(shù)增長。這的確是個(gè)難題，我們已經(jīng)有了一些想法，但是仍有很多工作要做。

但即便是現(xiàn)在，我們預(yù)計(jì)也可以在芯片上使用全雙工來改善現(xiàn)有無線系統(tǒng)的關(guān)鍵性能。第一批應(yīng)用兩年之內(nèi)或許就會(huì)出現(xiàn)，應(yīng)該會(huì)用于短距離無線鏈路和系統(tǒng)，例如Wi-Fi，這些設(shè)備中，接收信號的信噪比通常較高。將這種技術(shù)用于自干擾信號更強(qiáng)的蜂窩電話則可能要花費(fèi)5年的時(shí)間。另一個(gè)可以受益的應(yīng)用是固定點(diǎn)到點(diǎn)的微波和毫米波回程和中繼，它們是電信網(wǎng)絡(luò)的骨干。

無線行業(yè)的很多大公司都對我們的工作表現(xiàn)出了興趣，高通等公司甚至已經(jīng)為我們提供了資金。我們還收到了美國國防部高級研究項(xiàng)目局和美國國家科學(xué)基金會(huì)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(wǎng)絡(luò)。我們相信，終有一天，我們所有的無線設(shè)備都能夠通過一個(gè)天線，在一個(gè)芯片內(nèi)和一個(gè)信道上同時(shí)實(shí)現(xiàn)聽說功能。