無線通信并不能實現(xiàn)無處不在的覆蓋。我們都遇到過這種情形：電話中斷，網(wǎng)頁有時需要很長的時間來加載。在無線覆蓋區(qū)內之所以會出現(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)絡的配置為星型網(wǎng)絡，也就是在中心位置有一個基礎設施，比如手機信號塔或路由器，它與周圍呈放射狀分布的所有移動設備進行通信。

要實現(xiàn)無線通信的完全覆蓋，需要用另一種不同類型的網(wǎng)絡——網(wǎng)狀網(wǎng)絡來增強這些星型網(wǎng)絡。與星型網(wǎng)絡不同，網(wǎng)狀網(wǎng)絡由節(jié)點組成，節(jié)點之間以及節(jié)點與最終用戶設備之間可以相互通信。有了這樣一個系統(tǒng)，我們可以簡單地添加一個節(jié)點進而繞過障礙物傳輸信號，填補無線網(wǎng)絡覆蓋的“漏洞”。例如，在信號接收不良的建筑物中，安裝與主路由器通信的節(jié)點，可以增強Wi-Fi信號。然而，當前的無線網(wǎng)狀網(wǎng)設計有所限制。

到目前為止，最大的限制是網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的節(jié)點如果使用相同的頻率來發(fā)送和接收信號，在中繼數(shù)據(jù)時會對自身造成干擾。因此，目前的設計是用不同的頻段發(fā)送和接收信號。但是，頻譜是一種稀缺資源，對蜂窩網(wǎng)絡和Wi-Fi所使用的繁忙頻率來說尤其如此。當手機信號塔和Wi-Fi路由器大部分時間能夠很好地為人們提供連接時，很難評價投入如此多的頻譜來填補覆蓋漏洞的合理性。不過，一項突破可將網(wǎng)狀網(wǎng)絡應用到需求最大、頻譜最密集的網(wǎng)絡之中，例如連接組裝車間的機器人、自動駕駛汽車或無人機群。

這種新興的突破性技術被稱為自干擾消除（SIC）。顧名思義，自干擾消除使網(wǎng)狀網(wǎng)絡節(jié)點能夠抵消在相同頻率上發(fā)射和接收信號時所產生的干擾。發(fā)射和接收不需要單獨的頻率，這項技術將節(jié)點的頻譜效率提高了一倍?，F(xiàn)在世界上有數(shù)百億臺無線設備。據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）統(tǒng)計，其中至少有50億部是手機。Wi-Fi聯(lián)盟的報告顯示，目前使用的Wi-Fi設備超過130億臺。藍牙技術聯(lián)盟預測，2020年至2024年，藍牙設備的出貨量將超過75億臺。

現(xiàn)在是無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡成為主流的時候了，因為越來越多的產品內置了無線功能，比如浴室秤、網(wǎng)球鞋、壓力鍋以及數(shù)不勝數(shù)的其他產品。消費者期望它們在任何地方都能工作，自干擾消除將建立沒有漏洞的健壯網(wǎng)狀網(wǎng)絡，使這個愿望成為可能。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。

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

長期以來，在同一頻率上實現(xiàn)全雙工，即在同一頻段上同時發(fā)送和接收信號，最大限度地利用頻譜，一直是無線電工程師們的目標。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，汽車同時朝兩個方向行駛。這對于交通來說或許是荒謬的，但是對于無線電工程來說卻是完全可能的。

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

在美國，至少有3家初創(chuàng)公司在現(xiàn)實世界應用自干擾消除，即GenXComm、Lextrum和Kumu網(wǎng)絡公司（我在Kumu網(wǎng)絡擔任產品管理副總裁）。哥倫比亞大學、斯坦福大學（Kumu網(wǎng)絡就是在這里起步的）和得克薩斯大學奧斯汀分校等學校也有一些開發(fā)自干擾消除技術的實質性項目。乍一想，自干擾消除可能很簡單。畢竟，在信號發(fā)送之前，發(fā)射無線設備已確切地知道自己發(fā)射了什么樣的信號。

然后，發(fā)射無線設備所要做的就是在天線接收的混合信號中抵消自己的發(fā)射信號，以便聽到其他無線設備的信號，是這樣嗎？而實際上，自干擾消除要更加復雜一些，因為無線設備信號在傳輸之前必須經(jīng)過的幾個步驟會影響傳輸?shù)男盘枴?a target="_blank">智能手機等現(xiàn)代無線設備是從軟件傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號開始的。然而，在將數(shù)字信號轉換為用于傳輸?shù)?a href="http://qiaming.cn/v/tag/105/" target="_blank">射頻信號的過程中，無線設備模擬電路產生的噪聲導致射頻信號失真，因此它不可能使用一模一樣的信號來實現(xiàn)自消除。這種噪聲很難預測，因為部分噪聲是由環(huán)境溫度和細微的制造缺陷造成的。

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

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

回想一下，我們的目標是創(chuàng)建一個與發(fā)射信號相反的信號，在與原始接收信號結合時，這種反向信號應完全抵消原始發(fā)射信號，即使有附加的噪聲、失真和反射，也只留下接收信號。然而實際上，要衡量抵消技術是否成功，看的仍然是能抵消多少信號。Kumu的自干擾消除技術試圖在無線設備接收信號的3個不同時間點抵消發(fā)射信號。通過這種三級方法，Kumu的技術可以消除大約110分貝，而一般的網(wǎng)狀Wi-Fi接入點只能消除20到25分貝。

第一步在模擬世界的射頻（RF）級進行。無線設備一個的自干擾消除專用組件在發(fā)射信號到達天線之前對其進行采樣。此時，無線設備已經(jīng)完成對信號的調制和放大。這意味著，任何由無線設備自身的信號混合器、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，因此可以通過簡單地反轉所采集的樣本信號，并將其饋送到無線設備接收器來實現(xiàn)抵消。下一步依然在模擬區(qū)域進行，目的是在中頻（IF）級抵消更多的發(fā)射信號。

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

該信號被反轉方向，應用于轉換為中頻之后的接收信號。這個過程中，Kumu自干擾消除技術有一個很有意思的特點，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再取樣射頻信號，但在消除步驟中，該組件先抵消射頻信號，再抵消中頻信號。Kumu消除過程的第三步，亦即最后一步，是對被轉換成數(shù)字形式的接收信號應用一種算法。

該算法將剩余的接收信號與進行中頻和射頻轉換之前的原始發(fā)射信號進行比較。該算法實質上是梳理接收信號，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，進而能夠在同一頻率上接收到其他強度適當?shù)男盘枴τ谠S多重要的應用，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用里，在同一物理機箱中，但不共享同一天線。讓我們來看幾個重要的例子。

Kumu的技術已經(jīng)在4G網(wǎng)絡中進行了商業(yè)化部署。借助自干擾消除，一種被稱為中繼節(jié)點的設備可以填補覆蓋漏洞。中繼節(jié)點本質上是一對背靠背連接的雙向無線設備。這對無線設備中的第一個無線設備面向4G信號塔，接收來自網(wǎng)絡的信號；第二個無線設備面向覆蓋漏洞，在同一個頻率上將信號傳遞給覆蓋漏洞中的用戶。

該節(jié)點還接收來自覆蓋漏洞中用戶的信號，并在同一個頻率上再次將其中繼到信號塔。中繼節(jié)點類似于傳統(tǒng)的中繼器和擴展器，通過中繼來自遠方的廣播信號來擴展覆蓋區(qū)域。不同的是，中繼節(jié)點不會放大噪聲，因為它們的工作是解碼和重新生成原始信號，而不僅僅是放大信號。

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

正在進行的5G網(wǎng)絡部署為自干擾消除提供了更好的機會。5G與前幾代蜂窩網(wǎng)絡技術不同，它包含了小型基站，即相距100到200米的微型信號塔。5G網(wǎng)絡需要小型基站，因為這一代蜂窩技術采用了更高頻率的毫米波信號，毫米波信號的傳播距離沒有其他蜂窩頻率的傳輸距離遠。小基站論壇（Small Cell Forum）預測，到2025年，全球將安裝超過1300萬個5G小型基站。每一個小型基站都需要一條專用鏈路，被稱為“回程鏈路”，與網(wǎng)絡的其余部分相連。

絕大部分回程鏈路將采用無線形式，因為用光纜替代它的成本更高。事實上，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）的標準。就像它的名字一樣，IAB包括兩部分。首先是接入，智能手機等本地設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)絡其他部分通信。5G IAB的第一個建議方案是在同一高速信道上輪流進行接入和回程通信，另一個方案是兩組通信分別使用單獨的信道。

兩個方案都有重大缺點。共享同一信道的問題是帶來時間延遲，影響時延敏感的應用，如虛擬現(xiàn)實和多人游戲。另一方面，使用單獨的信道會產生很高的成本：你已經(jīng)將價格昂貴、需要為該網(wǎng)絡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。

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

Kumu的技術還沒有在使用IAB的5G網(wǎng)絡中進行商業(yè)部署，因為IAB還是一項相當新的技術。制定移動通信協(xié)議的第三代合作伙伴計劃（3GPP）于2020年6月凍結了第一輪IAB標準，此后，Kumu一直在通過行業(yè)試驗完善其技術。

最后值得一提的技術是Wi-Fi，它開始更多地使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡。例如，家庭Wi-Fi網(wǎng)絡現(xiàn)在需要連接個人電腦、電視、網(wǎng)絡攝像頭、智能手機和智能家居設備，不管它們位于家中何處。一個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，可能需要一個有兩到三個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡才能提供完整的覆蓋。

當前流行的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術會為網(wǎng)狀網(wǎng)絡節(jié)點之間的專用內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。而自干擾消除技術可以實現(xiàn)內部通信和設備信號同時使用相同的頻率，提高性能。但可惜的是，這種應用與4G和5G的應用還是有一定的差距。

照現(xiàn)在的情況，為Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡開發(fā)自干擾消除技術的成本不劃算，因為這些網(wǎng)絡處理的流量通常比4G和5G基站低得多。網(wǎng)狀網(wǎng)絡正越來越多地部署在蜂窩網(wǎng)絡和Wi-Fi網(wǎng)絡中。蜂窩和Wi-Fi技術在功能和使用方式上越來越相似，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以解決兩者都會遇到的覆蓋和回程問題。

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

原文標題：能夠“聽”到自己聲音的無線電

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責任編輯：haq