無線通信并不能實(shí)現(xiàn)無處不在的覆蓋。我們都遇到過這種情形：電話中斷，網(wǎng)頁(yè)有時(shí)需要很長(zhǎng)的時(shí)間來加載。在無線覆蓋區(qū)內(nèi)之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的“漏洞”，最根本的原因是現(xiàn)在絕大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)的配置為星型網(wǎng)絡(luò)，也就是在中心位置有一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，比如手機(jī)信號(hào)塔或路由器，它與周圍呈放射狀分布的所有移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信。

要實(shí)現(xiàn)無線通信的完全覆蓋，需要用另一種不同類型的網(wǎng)絡(luò)——網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來增強(qiáng)這些星型網(wǎng)絡(luò)。與星型網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)與最終用戶設(shè)備之間可以相互通信。有了這樣一個(gè)系統(tǒng)，我們可以簡(jiǎn)單地添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)而繞過障礙物傳輸信號(hào)，填補(bǔ)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的“漏洞”。例如，在信號(hào)接收不良的建筑物中，安裝與主路由器通信的節(jié)點(diǎn)，可以增強(qiáng)Wi-Fi信號(hào)。然而，當(dāng)前的無線網(wǎng)狀網(wǎng)設(shè)計(jì)有所限制。

到目前為止，最大的限制是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)如果使用相同的頻率來發(fā)送和接收信號(hào)，在中繼數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)對(duì)自身造成干擾。因此，目前的設(shè)計(jì)是用不同的頻段發(fā)送和接收信號(hào)。但是，頻譜是一種稀缺資源，對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi所使用的繁忙頻率來說尤其如此。當(dāng)手機(jī)信號(hào)塔和Wi-Fi路由器大部分時(shí)間能夠很好地為人們提供連接時(shí)，很難評(píng)價(jià)投入如此多的頻譜來填補(bǔ)覆蓋漏洞的合理性。不過，一項(xiàng)突破可將網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到需求最大、頻譜最密集的網(wǎng)絡(luò)之中，例如連接組裝車間的機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車或無人機(jī)群。

這種新興的突破性技術(shù)被稱為自干擾消除（SIC）。顧名思義，自干擾消除使網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠抵消在相同頻率上發(fā)射和接收信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的干擾。發(fā)射和接收不需要單獨(dú)的頻率，這項(xiàng)技術(shù)將節(jié)點(diǎn)的頻譜效率提高了一倍。現(xiàn)在世界上有數(shù)百億臺(tái)無線設(shè)備。據(jù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)（GSMA）統(tǒng)計(jì)，其中至少有50億部是手機(jī)。Wi-Fi聯(lián)盟的報(bào)告顯示，目前使用的Wi-Fi設(shè)備超過130億臺(tái)。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟預(yù)測(cè)，2020年至2024年，藍(lán)牙設(shè)備的出貨量將超過75億臺(tái)。

現(xiàn)在是無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)成為主流的時(shí)候了，因?yàn)樵絹碓蕉嗟?a target="_blank">產(chǎn)品內(nèi)置了無線功能，比如浴室秤、網(wǎng)球鞋、壓力鍋以及數(shù)不勝數(shù)的其他產(chǎn)品。消費(fèi)者期望它們?cè)谌魏蔚胤蕉寄芄ぷ鳎愿蓴_消除將建立沒有漏洞的健壯網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使這個(gè)愿望成為可能。最重要的是，也許只需要使用少量的頻譜，就可以做到這一點(diǎn)。

手機(jī)、Wi-Fi路由器和其他雙向無線電被認(rèn)為是全雙工無線電。這意味著它們通常使用獨(dú)立的發(fā)射器和接收器，能夠同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)。一般來說，無線電發(fā)射和接收信號(hào)采用頻分雙工（使用兩個(gè)不同的頻率發(fā)射和接收信號(hào)）或時(shí)分雙工（使用相同的頻率但在不同的時(shí)間發(fā)射和接收信號(hào)）技術(shù)。這兩種雙工技術(shù)的缺點(diǎn)是，理論上每個(gè)頻段在任何特定的時(shí)間都只使用其一半的潛力，換句話說，要么發(fā)送要么接收，而不是兩者都進(jìn)行。

長(zhǎng)期以來，在同一頻率上實(shí)現(xiàn)全雙工，即在同一頻段上同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，最大限度地利用頻譜，一直是無線電工程師們的目標(biāo)。我們可以把其他全雙工方法想象成一條雙車道公路，車輛在不同的車道上朝不同的方向行駛；而同一頻率上的全雙工則只建一條車道，汽車同時(shí)朝兩個(gè)方向行駛。這對(duì)于交通來說或許是荒謬的，但是對(duì)于無線電工程來說卻是完全可能的。

需要明確的是，在同一頻率上實(shí)現(xiàn)全雙工仍然是無線通信工程師們努力的目標(biāo)。自干擾消除使無線設(shè)備更接近這一目標(biāo)，它使無線設(shè)備能夠抵消自己的傳輸，同時(shí)聽到同一頻率上的其他信號(hào)，但這并不是一項(xiàng)完善的技術(shù)。自干擾消除剛剛開始成為主流應(yīng)用。

在美國(guó)，至少有3家初創(chuàng)公司在現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用自干擾消除，即GenXComm、Lextrum和Kumu網(wǎng)絡(luò)公司（我在Kumu網(wǎng)絡(luò)擔(dān)任產(chǎn)品管理副總裁）。哥倫比亞大學(xué)、斯坦福大學(xué)（Kumu網(wǎng)絡(luò)就是在這里起步的）和得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校等學(xué)校也有一些開發(fā)自干擾消除技術(shù)的實(shí)質(zhì)性項(xiàng)目。乍一想，自干擾消除可能很簡(jiǎn)單。畢竟，在信號(hào)發(fā)送之前，發(fā)射無線設(shè)備已確切地知道自己發(fā)射了什么樣的信號(hào)。

然后，發(fā)射無線設(shè)備所要做的就是在天線接收的混合信號(hào)中抵消自己的發(fā)射信號(hào)，以便聽到其他無線設(shè)備的信號(hào)，是這樣嗎？而實(shí)際上，自干擾消除要更加復(fù)雜一些，因?yàn)闊o線設(shè)備信號(hào)在傳輸之前必須經(jīng)過的幾個(gè)步驟會(huì)影響傳輸?shù)男盘?hào)。智能手機(jī)等現(xiàn)代無線設(shè)備是從軟件傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)開始的。然而，在將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于傳輸?shù)?a href="http://www.xsypw.cn/v/tag/105/" target="_blank">射頻信號(hào)的過程中，無線設(shè)備模擬電路產(chǎn)生的噪聲導(dǎo)致射頻信號(hào)失真，因此它不可能使用一模一樣的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)自消除。這種噪聲很難預(yù)測(cè)，因?yàn)椴糠衷肼暿怯森h(huán)境溫度和細(xì)微的制造缺陷造成的。

產(chǎn)生干擾的發(fā)射信號(hào)功率與期望接收的信號(hào)功率的量級(jí)差異也會(huì)影響自干擾消除的效果。無線設(shè)備放大器發(fā)射的功率比接收信號(hào)的功率要高許多數(shù)量級(jí)。這就好像你在試圖聽清幾英尺外的人對(duì)你耳語，而同時(shí)你卻在對(duì)他們大聲吼叫一樣。

此外，到達(dá)接收天線的信號(hào)與無線設(shè)備發(fā)送時(shí)的信號(hào)不完全相同。當(dāng)它返回時(shí)，信號(hào)還包括附近樹木、墻壁、建筑物或無線設(shè)備附近其他物體的反射信號(hào)。當(dāng)信號(hào)從移動(dòng)的物體（如人、車輛甚至暴雨）上反射時(shí)，情況會(huì)變得更加復(fù)雜。這意味著，如果無線設(shè)備只是按照信號(hào)發(fā)送時(shí)的樣子來抵消發(fā)射信號(hào)，將無法抵消這些反射。因此，要想有良好的消除效果，自干擾消除技術(shù)需要結(jié)合算法和模擬技巧，解釋由無線電器件及其本地環(huán)境產(chǎn)生的信號(hào)變化。

回想一下，我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)與發(fā)射信號(hào)相反的信號(hào)，在與原始接收信號(hào)結(jié)合時(shí)，這種反向信號(hào)應(yīng)完全抵消原始發(fā)射信號(hào)，即使有附加的噪聲、失真和反射，也只留下接收信號(hào)。然而實(shí)際上，要衡量抵消技術(shù)是否成功，看的仍然是能抵消多少信號(hào)。Kumu的自干擾消除技術(shù)試圖在無線設(shè)備接收信號(hào)的3個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)抵消發(fā)射信號(hào)。通過這種三級(jí)方法，Kumu的技術(shù)可以消除大約110分貝，而一般的網(wǎng)狀Wi-Fi接入點(diǎn)只能消除20到25分貝。

第一步在模擬世界的射頻（RF）級(jí)進(jìn)行。無線設(shè)備一個(gè)的自干擾消除專用組件在發(fā)射信號(hào)到達(dá)天線之前對(duì)其進(jìn)行采樣。此時(shí)，無線設(shè)備已經(jīng)完成對(duì)信號(hào)的調(diào)制和放大。這意味著，任何由無線設(shè)備自身的信號(hào)混合器、功率放大器和其他組件引起的不規(guī)則性都已經(jīng)存在于樣本中，因此可以通過簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)所采集的樣本信號(hào)，并將其饋送到無線設(shè)備接收器來實(shí)現(xiàn)抵消。下一步依然在模擬區(qū)域進(jìn)行，目的是在中頻（IF）級(jí)抵消更多的發(fā)射信號(hào)。

中頻，顧名思義，是無線設(shè)備在數(shù)字信號(hào)和實(shí)際發(fā)射信號(hào)之間的中間一步。中頻通常用于降低無線設(shè)備的成本和復(fù)雜性。使用中頻，無線設(shè)備可以重復(fù)使用濾波器之類的組件，而不是每個(gè)可能的工作頻段和信道都用單獨(dú)的濾波器。例如，Wi-Fi路由器和手機(jī)為了重復(fù)使用組件，都首先將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻，僅在后面的過程中，再最終將信號(hào)轉(zhuǎn)換為發(fā)射頻率。Kumu自干擾消除技術(shù)的中頻消除方式與射頻消除方式相同。在將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為發(fā)射頻率、進(jìn)行調(diào)制和放大之前，發(fā)射器中的自干擾消除組件會(huì)對(duì)它進(jìn)行采樣。

該信號(hào)被反轉(zhuǎn)方向，應(yīng)用于轉(zhuǎn)換為中頻之后的接收信號(hào)。這個(gè)過程中，Kumu自干擾消除技術(shù)有一個(gè)很有意思的特點(diǎn)，即采樣步驟和消除步驟的過程是相反的。換言之，在發(fā)射器中自干擾消除組件先取樣中頻信號(hào)再取樣射頻信號(hào)，但在消除步驟中，該組件先抵消射頻信號(hào)，再抵消中頻信號(hào)。Kumu消除過程的第三步，亦即最后一步，是對(duì)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的接收信號(hào)應(yīng)用一種算法。

該算法將剩余的接收信號(hào)與進(jìn)行中頻和射頻轉(zhuǎn)換之前的原始發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較。該算法實(shí)質(zhì)上是梳理接收信號(hào)，找出可能由發(fā)射器件或附近環(huán)境反射而引起的殘留影響，并將其消除。沒有哪一個(gè)步驟是100%有效的。但這些步驟合在一起，就可以抵消足夠多的發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而能夠在同一頻率上接收到其他強(qiáng)度適當(dāng)?shù)男盘?hào)。對(duì)于許多重要的應(yīng)用，例如前面描述的Wi-Fi中繼器，這種消除已經(jīng)足夠了。

正如我之前提到的，工程師們還沒有完全實(shí)現(xiàn)同一頻率上的全雙工無線通信。目前，自干擾消除正被部署在發(fā)射器和接收器彼此靠近的應(yīng)用里，在同一物理機(jī)箱中，但不共享同一天線。讓我們來看幾個(gè)重要的例子。

Kumu的技術(shù)已經(jīng)在4G網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了商業(yè)化部署。借助自干擾消除，一種被稱為中繼節(jié)點(diǎn)的設(shè)備可以填補(bǔ)覆蓋漏洞。中繼節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是一對(duì)背靠背連接的雙向無線設(shè)備。這對(duì)無線設(shè)備中的第一個(gè)無線設(shè)備面向4G信號(hào)塔，接收來自網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)；第二個(gè)無線設(shè)備面向覆蓋漏洞，在同一個(gè)頻率上將信號(hào)傳遞給覆蓋漏洞中的用戶。

該節(jié)點(diǎn)還接收來自覆蓋漏洞中用戶的信號(hào)，并在同一個(gè)頻率上再次將其中繼到信號(hào)塔。中繼節(jié)點(diǎn)類似于傳統(tǒng)的中繼器和擴(kuò)展器，通過中繼來自遠(yuǎn)方的廣播信號(hào)來擴(kuò)展覆蓋區(qū)域。不同的是，中繼節(jié)點(diǎn)不會(huì)放大噪聲，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ魇墙獯a和重新生成原始信號(hào)，而不僅僅是放大信號(hào)。

由于中繼節(jié)點(diǎn)完全用于重新發(fā)送信號(hào)，為了使該節(jié)點(diǎn)正常工作，面向4G信號(hào)塔的發(fā)射器不得干擾面向覆蓋漏洞的接收器。復(fù)用頻譜存在的一個(gè)大問題是發(fā)射信號(hào)的“聲音”比接收信號(hào)的“聲音”大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。你不希望節(jié)點(diǎn)中繼用戶的信號(hào)被自己重新發(fā)送的信號(hào)淹沒，同樣也不希望面向覆蓋漏洞的發(fā)射器淹沒來自信號(hào)塔的信號(hào)。自干擾消除技術(shù)通過抵消自己的發(fā)射信號(hào)，來防止一個(gè)無線設(shè)備的發(fā)射信號(hào)淹沒另一個(gè)無線設(shè)備正在接收的信號(hào)。

正在進(jìn)行的5G網(wǎng)絡(luò)部署為自干擾消除提供了更好的機(jī)會(huì)。5G與前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，它包含了小型基站，即相距100到200米的微型信號(hào)塔。5G網(wǎng)絡(luò)需要小型基站，因?yàn)檫@一代蜂窩技術(shù)采用了更高頻率的毫米波信號(hào)，毫米波信號(hào)的傳播距離沒有其他蜂窩頻率的傳輸距離遠(yuǎn)。小基站論壇（Small Cell Forum）預(yù)測(cè)，到2025年，全球?qū)惭b超過1300萬個(gè)5G小型基站。每一個(gè)小型基站都需要一條專用鏈路，被稱為“回程鏈路”，與網(wǎng)絡(luò)的其余部分相連。

絕大部分回程鏈路將采用無線形式，因?yàn)橛霉饫|替代它的成本更高。事實(shí)上，為了開發(fā)更健壯、更高效的無線回程鏈路，5G行業(yè)正在開發(fā)一套被稱為“綜合接入和回程”（IAB）的標(biāo)準(zhǔn)。就像它的名字一樣，IAB包括兩部分。首先是接入，智能手機(jī)等本地設(shè)備能夠與最近的小型基站通信；其次是回程，小型基站能夠與網(wǎng)絡(luò)其他部分通信。5G IAB的第一個(gè)建議方案是在同一高速信道上輪流進(jìn)行接入和回程通信，另一個(gè)方案是兩組通信分別使用單獨(dú)的信道。

兩個(gè)方案都有重大缺點(diǎn)。共享同一信道的問題是帶來時(shí)間延遲，影響時(shí)延敏感的應(yīng)用，如虛擬現(xiàn)實(shí)和多人游戲。另一方面，使用單獨(dú)的信道會(huì)產(chǎn)生很高的成本：你已經(jīng)將價(jià)格昂貴、需要為該網(wǎng)絡(luò)獲得許可的無線頻譜的數(shù)量增加了一倍。在這兩種情況下，你都沒有最高效地利用無線容量。

如長(zhǎng)期演進(jìn)中繼節(jié)點(diǎn)示例所示，自干擾消除可以在回程無線設(shè)備的接收器上抵消來自同一小型基站的接入無線設(shè)備發(fā)射的信號(hào)，同樣，也可以在接入無線設(shè)備的接收器上抵消來自同一個(gè)小型基站的回程無線設(shè)備發(fā)射的信號(hào)。最終的結(jié)果是，即使小型基站的接入無線設(shè)備正在與附近的設(shè)備通話，該基站的回程無線設(shè)備仍然可以接收來自更廣泛的網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)。

Kumu的技術(shù)還沒有在使用IAB的5G網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行商業(yè)部署，因?yàn)镮AB還是一項(xiàng)相當(dāng)新的技術(shù)。制定移動(dòng)通信協(xié)議的第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）于2020年6月凍結(jié)了第一輪IAB標(biāo)準(zhǔn)，此后，Kumu一直在通過行業(yè)試驗(yàn)完善其技術(shù)。

最后值得一提的技術(shù)是Wi-Fi，它開始更多地使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。例如，家庭Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在需要連接個(gè)人電腦、電視、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、智能手機(jī)和智能家居設(shè)備，不管它們位于家中何處。一個(gè)路由器足可以覆蓋一所小房子，但更大的房子，或一棟小辦公樓，可能需要一個(gè)有兩到三個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)才能提供完整的覆蓋。

當(dāng)前流行的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會(huì)為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的專用內(nèi)部通信分配一些可用的無線頻段。這樣一來，它們就減少了原本可以提供給用戶的一些容量。而自干擾消除技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信和設(shè)備信號(hào)同時(shí)使用相同的頻率，提高性能。但可惜的是，這種應(yīng)用與4G和5G的應(yīng)用還是有一定的差距。

照現(xiàn)在的情況，為Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)開發(fā)自干擾消除技術(shù)的成本不劃算，因?yàn)檫@些網(wǎng)絡(luò)處理的流量通常比4G和5G基站低得多。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)正越來越多地部署在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中。蜂窩和Wi-Fi技術(shù)在功能和使用方式上越來越相似，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以解決兩者都會(huì)遇到的覆蓋和回程問題。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)也易于部署和“自我修復(fù)”，這意味著數(shù)據(jù)可以自動(dòng)路由繞過故障節(jié)點(diǎn)。通過同一頻率上的全雙工，健壯的4G網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)真正得到了極大的改進(jìn)。預(yù)計(jì)在不久的將來，這也會(huì)同樣出現(xiàn)在5G和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中。它來得正好。無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是在相同數(shù)量的頻譜中實(shí)現(xiàn)越來越多的功能。自干擾消除將實(shí)際可用的頻譜數(shù)量增加了1倍，將助力迎來全新的無線通信應(yīng)用。

原文標(biāo)題：能夠“聽”到自己聲音的無線電

文章出處：【微信公眾號(hào)：微波射頻網(wǎng)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq