应对5G 全双工RF加倍无线通信传输速度

在大学的电子工程系课程中，我们曾经学过“全双工”(发送与接收)必须在不同的频率或在不同的时间(技术上来说是半双工)中进行。也就是说，如果不是在不同的频率下同时进行发射与接收，就是在不同的时间下以相同频率发射与接收。然而，根据美国纽约哥伦比亚大学(Columbia University)的研究人员指出，这种单向的“全双工”其实是骗人的。

哥伦比亚大学研究人员们最近展示一种称为“哥伦比亚高速与毫米波IC”(CoSMIC)的互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，可在相同频率下同时实现全双工，从而提高了一倍的无线通信速度。

CoSMIC Lab以纳米级CMOS建置的全双工收发器IC，可在相同频率下以无线电实现同时传送与接收。(来源：Jin Zhou & Harish Krishnaswam/哥伦比亚大学)

哥伦比亚大学电子工程学系教授Harish Krishnaswamy表示：“在此以前，一般都认为不可能在相同频率下实现全双工，因为如果你在相同频率下同时发射和接收，接收器将会因为发射器的干扰而失效——发射器的干扰信号可能比所需接收的信号更强大10亿倍。但我们已经设计出一种针对回音干扰或自相干扰的消除机制，能够以十亿分之一的准确度过滤发射器的干扰，使所接收的信号在经过干扰消除后更易于侦测。”

根据Krishnaswamy表示，如果没有他们的研究团队开发出这种电路，“全双工”无异是在旁边有人扯开嗓门大声吼叫的情况下试图听出有人小声耳语的内容。Krishnaswamy目前与哥伦比亚大学博士候选人Jin Zhou共同进行这项研究。

“但是，如果你能以某种方式消除或阻断掉旁边的尖叫声，要注意的是必须消除要到近乎完美，那么就可以听到这些耳语，”Krishnaswamy说：“我们已经找到可实现这一理想的方法了，只要利用一个微小的 CoSMIC 芯片即可完整传送这种电磁无线信号。”

传统的RF通讯(左图)，以及在相同频率下同时实现双向全双工(右图)，从而使速度提高一倍。(来源：哥伦比亚大学)

Krishnaswamy所谓的“回音消除”或“自干扰消除”机制—— CoSMIC ——就安装在接收器的输入埠，可压抑响亮的传输信号，因而可以可以听见安静的接收器信号。

“该芯片的关键创新在于以十亿分之一的精确度消除发射器的自干扰，它必须近乎精确地复制发射器自干扰。这极其难以实现，特别是因为发射器在反射附近的物体时，其自干扰或回音都会扭曲并发生变化。”

原则上，所有的RF通讯最适合于这种技术，Krishnaswamy指出，他的研究团队已设计出一种能以单芯片实现这一目标的电路了。研究人员们将开始试着加倍无线信号的速度——特别是智能手机与平板机用的Wi-Fi与蜂窝式通讯。

“无线通信正面临着应对5G进展提升1,000X倍数据容量的需求，这将带来重大的挑战，而全双工作业则将在实现这一目标时发挥十分重要的作用，”Krishnaswamy说。

除了RF ，这项技术也可用于使光通信信道的容量提高一倍。“我们一直在思考光学，但在不久的将来，我们可望更有效地掌握无线技术，”Krishnaswamy补充。

据Krishnaswamy与Zhou表示，他们开发的CMOS芯片必须以纳米级制造，才能实现十亿分之一的消除率。为了实现可进行商用化的芯片封装，研究团队正致力于与电子工程系统教授Gil Zussman的团队合作。此外，DARPA也赞助了这项研究。