全双工通信的原理是怎么样的？为什么全双工通信可能用在 5G 中？
- 2019 年 12 月 6 日
- 笔记
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本文为知乎用户徐方鑫关于“ 全双工通信的原理是怎么样的？为什么全双工通信可能用在 5G 中？”的内容分享。
首先这里全双工定义的可能比较广义一些，即是一个即可以发又可以收的终端，一般说全双工的（在SDR设备里面见过这样的说法，即实际上再说支持时分双工或者频分双工）。 其次是关注真正的全双工，即同一根天线在同一个频率（信道）同一个时间进行双工通信。全双工国内有时候被称为同时同频全双工，如果是国外paper的话，更多称呼为in-band full-duplex（IBFD）。
我们大体介绍下IBFD的原理，首先IBFD是可以支持单根天线的，一般而言有两种形式（PS：以下所述都是基于学术论文的角度，现实的demo是有，也有芯片级别的产物，不过大部分还是比较初级）
如上图（图来源为《Resource Allocation and Rate Gains in Practical Full-Duplex Systems》这篇文章）。其中b图实现全双工是基于两根天线的，c图是一根天线的。b图比较好理解，一根发，一根收，解释下c图，c图这里术语是用的circulator，其中天线接在最下面的一个口，然后接受回路和发送回路分别接上面的两个口。 然后需要解释下一根天线为什么可以完成全双工的，这个一般看到比较早的是基于斯坦福的《Achieving single channel, full duplex wireless communication》这篇文章。由于天线是接收电磁波的，电磁波就可以叠加的。在本地发送信号的时候，实际上对方发送过来的信号在电磁波上是叠加的，但是由于本地发送信号的幅度很高，所以对方发送过来的信号就淹没在本地的发送信号中了，所以就没有办法接收。而解决这个问题的思路简单而言（里面有一些细致的步骤不展开，基本思路而已），就是由于本地发送的信号本地是已知的，所以在试图接收对方的信号的时候，把本地的发送信号给减去，那么就可以获得对方的发送信号了（比较微弱），从而即可达到全双工的需求。 而在具体实施的过程中，可能不仅仅做一次相减即可，而需要做多次，如下面的框架图（还是摘自《Resource Allocation and Rate Gains in Practical Full-Duplex Systems》）
其中Hc,r(s)那里是第一次相减，即模拟相减，原因是在于，如果不减的话，那么由于本地的发送信号到接收信号没有距离上的衰减，所以很强，如果该信号再次经过LNA（低噪声放大器），那么信号是满格，或者破坏LNA，所以需要第一次抵消自己的发送信号，相当于一次粗过滤。然后在数字解调部分，即Hc,d(s)那里做第二次相减，即数字相减，做一次细的过滤，从而解出对方的信号。
一般做模拟自抵消都是硬件做的，我们通常称呼这个设备叫做Electrical Balance Duplexer (EBD)，翻译成中文的就是电平衡器。这个东西有点类似于双工器，但是还是有不少区别，普通的双工器一般都是分离两个不同频率的信号，实际上是两个匹配网络，分别提取对应信号的，电平衡器是做模拟自抵消的，所以是处理同频信号。一种EBD的设计如下图（参考NI-全双工软件定义无线电方案）
接收天线插在EBD之上，做完模拟自抵消之后，再接入接收和发送链路，数字自抵消是通过数字逻辑执行的。我们还可以进一步看看各个部分大致要抵消多少功率，比如下图
我们看到上图（参考《An Electrical-Balance Duplexer for In-Band Full-Duplex with <-85dBm In-Band Distortion at +10dBm TX-power》），由天线出来的信号首先通过RF自抵消（RF SIC）差不多50dB，然后经过LNA之后经过一个VM网络（Vector Modulator），抵消30dB左右，最后经过一个ADC数字化后，再数字抵消30dB，这种是自抵消性能比较好的，通过三级抵消一共能到110dB，已经可以算是非常不错的性能了。
EBD的设计方法实际上多种多样，除了有用减法器，用芯片控制逻辑，还有直接用电磁波原理抵消的，好比上图（参考《Digitally-Controlled Electrical Balance Duplexer for Transmitter-Receiver Isolation in Full-Duplex Radio》）。这些不同的EBD的方案越来越多，有了这么多的方案作为备选，我们可以认为将来全双工技术还是有希望走进民用的。
作者：徐方鑫
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