【IT168 评论】在研究实验室，Andrea Alù正专注于一个目标：让无线带宽翻倍。德克萨斯大学电气和计算机工程副教授Alù表示：“最终的目标是创造一个小型设备，可实现全双工用于在相同频段同一时间进行无线通讯、发送和接收。”

　　无线技术总是无法满足新兴应用程序及其用户对速度的需要。随着压缩和其他现有带宽增强技术达到极限，全球各地的研究人员正在调查各种技术和方法来提高无线带宽—通过允许发送和接收信道使用相同的频谱空间。

　　“全双工将使我们更好地利用稀缺频谱用于无线通信，” Alù表示，“随着整个世界越来越依赖于无线通信和数据传输，对有限频谱的需求在不断增加。”

　　非磁性循环器

　　Alù研究的关键是非磁性无线电波循环器。工程师们都知道磁性循环器可支持同一频率的双向通信。然而，由于使用磁铁和磁材料相关的尺寸、重量和成本缺点，这种技术从未得到广泛部署。

　　Alù及其研究团队开发的循环器只占很小的空间，使用比现有循环器更便宜的材料。新设备的成本和尺寸使其可用于手机和其他移动设备，实现更快和更具频率效率的服务。

　　该团队的原型循环器直径为两厘米，最终该设备可能被缩小到只有几微米。该原型设备采用了集成电路中广泛使用的材料，包括少量的金、铜和硅，这使其很容易集成到电路板。

　　该循环器模拟了磁性材料打破两点之间传输中对称，这个属性允许磁性循环器选择性地路由无线电波。新的循环器可实现相同的效果，而取代了磁偏置。

　　“这种硬件为无线电波通信打开了新的天地，” Alù表示，“该技术让无线电波有一对隔离路径通向相同的天线，这允许在相同频率信道传输和接收，有效地增加了可用的频谱带宽。”

　　Alù期待这项技术实现商业化，他目前也是Silicon Audio RF Circulator公司首席技术官，该公司拥有这项技术的独家授权。Alù称：“我们希望在两年后推出基于这项技术的全双工系统。”

　　新的收发器架构

　　布里斯托尔大学研究小组创建了新的全双工收发器架构，它可以估计和抵消用户自身传输的干扰，允许移动设备在同一频段同时发送和接收。由于该技术只需要一个信道用于双向通信，它仅适用常规技术一半的频谱空间。

　　基于布里斯托尔无线电系统工程学教授Mark Beach的研究，博士生Leo Laughlin开发了这个收发器架构。该系统的关键支持技术是模拟和数字消除技术。Laughlin称：“该收发器结合了电平衡隔离和有源射频取消来抑制超过1亿因素干扰。”目前的原型采用低成本小尺寸技术，专门针对智能手机和平板电脑。

　　在理论上，无划分双工可让频谱效率翻倍，而在实际中，可能会小于两倍。Laughlin称：“然而，频谱效率的任何改进都会带来一系列的好处，包括提高的数据速率、降低成本和功耗。”现在市场上已经有不少全双工技术，主要针对回程基础设施和LTE中继应用程序。不过，这些系统使用的电路和信号抵消技术与Laughlin的不同，他预计该技术需要数年时间才会成为商业产品。

　　芯片为导向的方法

　　美国哥伦比亚大学研究人员认为实现可靠高效的全双工无线通信最好在芯片级。在电气工程副教授Harish Krishnaswamy的带领下，这组研究人员已经开发出全双工无线集成电路，可部署在纳米级CMOS，实现在同一频率同时进行传输和接收。

　　“收发器和接收器使用相同的频率可能让网络数据容量立即翻倍，”Krishnaswamy表示，“我们的研究第一次证明IC可以同时接收和发送。”CMOS是手机和其他无线电配备的移动设备内无线IC使用的主导技术。

　　该团队在研究过程中面临的最大挑战是取消发射回波，这一现象可能阻碍实现可用的全双工。他表示：“我们需要做的是取消这个回波，或者让其降低到非常小，比接受到的信号小。”

　　由于回波比接收到的信号要强十亿倍，回波消除电路必须高度精确地运作。他表示：“我们需要的回波消除电路需要非常精确，达到十亿分之一级别的精确。”

　　这样的精确度在软件中很难实现，而且会影响整个设备的性能。“这是需要在硬件中完成的事情，”Krishnaswamy表示，“这种回波取消精确度，以及处理这种回波的需要，无法在信号处理中完成。”

　　为了实现最好的效果，研究人员在其软件中采用多层回波消除。“回波要比我们试图接收的信号强10亿到100亿倍，这很难通过单个回波消除器来实现，”Krishnaswamy表示，“所以这些全双工系统需要采用多层回波消除，一次又一次地消除回波。”

　　Krishnaswamy以及博士生周瑾(音译)现在正在各个节点测试该全双工技术以准确了解可能在网络水平带来的好处。他表示：“我们期待能够提供所承诺的性能改进。”

　　外加天线

　　莱斯大学研究小组认为可相对简单且廉价地实现全双工无线通信，即添加小的额外的天线和新的软件到未来的手机和其他移动通信设备。

　　这种方法主要依靠MIMO(多输入多输出)，这个无线技术使用多个收发器和接收器天线用于增加无线电数据传输容量。“我们在全双工系统中使用多个天线的方法，因为这只需要极少的新硬件，无论是在移动设备还是在网络硬件，”团队负责人Ashutosh Sabharwal表示，“到目前为止，我们的技术已经吸引了全球几乎所有的无线公司。”

　　Sabharwal表示，这种方法旨在解决设备用户和制造商的需求。“在设备方面，我们已经证明我们可以简单而廉价地实现全双工，作为现有硬件的附加模式，”他表示，“随着移动设备变得更加小，内部空间变得越来越稀缺和宝贵，因此制造商非常欣赏不需要他们添加新硬件来实现全双工能力的办法。”

　　莱斯大学的技术使用一对信号，以在接受天线互相抵消。Sabharwal表示：“抵消效果完全是本地，所以其他节点仍然能收到我们发送的内容。”他指出，尽管抵消概念不是新鲜事，并且，理论上相对比较简单，但大多数其他方法都需要复杂且昂贵的新无线硬件。

　　这些研究人员还开发了异步全双工模式，允许无线节点正在传输信号时接收信号，Sabharwal表示：“异步传输对于想要最大限度提高网络通信的运营商非常重要。”

　　Sabharwal指出，全双工研究人员以及整个无线行业仍然面临的最大挑战是开发新的无线标准来支持该技术。不过，他认为广泛部署全双工技术只是时间问题。当运营商升级到4.5G或者5G网络时可能会看到全双工技术亮相。