能够“听”到自己声音的无线电

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能够“听”到自己声音的无线电 [复制链接]

 

无线通信并不能实现无处不在的覆盖。我们都遇到过这种情形：电话中断，网页有时需要很长的时间来加载。在无线覆盖区内之所以会出现这样的“漏洞”，最根本的原因是现在绝大多数无线网络的配置为星型网络，也就是在中心位置有一个基础设施，比如手机信号塔或路由器，它与周围呈放射状分布的所有移动设备进行通信。

要实现无线通信的完全覆盖，需要用另一种不同类型的网络——网状网络来增强这些星型网络。与星型网络不同，网状网络由节点组成，节点之间以及节点与最终用户设备之间可以相互通信。有了这样一个系统，我们可以简单地添加一个节点进而绕过障碍物传输信号，填补无线网络覆盖的“漏洞”。例如，在信号接收不良的建筑物中，安装与主路由器通信的节点，可以增强Wi-Fi信号。

然而，当前的无线网状网设计有所限制。到目前为止，最大的限制是网状网络中的节点如果使用相同的频率来发送和接收信号，在中继数据时会对自身造成干扰。因此，目前的设计是用不同的频段发送和接收信号。但是，频谱是一种稀缺资源，对蜂窝网络和Wi-Fi所使用的繁忙频率来说尤其如此。当手机信号塔和Wi-Fi路由器大部分时间能够很好地为人们提供连接时，很难评价投入如此多的频谱来填补覆盖漏洞的合理性。

不过，一项突破可将网状网络应用到需求最大、频谱最密集的网络之中，例如连接组装车间的机器人、自动驾驶汽车或无人机群。这种新兴的突破性技术被称为自干扰消除（SIC）。顾名思义，自干扰消除使网状网络节点能够抵消在相同频率上发射和接收信号时所产生的干扰。发射和接收不需要单独的频率，这项技术将节点的频谱效率提高了一倍。

现在世界上有数百亿台无线设备。据全球移动通信系统协会（GSMA）统计，其中至少有50亿部是手机。Wi-Fi联盟的报告显示，目前使用的Wi-Fi设备超过130亿台。蓝牙技术联盟预测，2020年至2024年，蓝牙设备的出货量将超过75亿台。现在是无线网状网络成为主流的时候了，因为越来越多的产品内置了无线功能，比如浴室秤、网球鞋、压力锅以及数不胜数的其他产品。消费者期望它们在任何地方都能工作，自干扰消除将建立没有漏洞的健壮网状网络，使这个愿望成为可能。最重要的是，也许只需要使用少量的频谱，就可以做到这一点。

 

 

手机、Wi-Fi路由器和其他双向无线电被认为是全双工无线电。这意味着它们通常使用独立的发射器和接收器，能够同时发送和接收信号。一般来说，无线电发射和接收信号采用频分双工（使用两个不同的频率发射和接收信号）或时分双工（使用相同的频率但在不同的时间发射和接收信号）技术。这两种双工技术的缺点是，理论上每个频段在任何特定的时间都只使用其一半的潜力，换句话说，要么发送要么接收，而不是两者都进行。

长期以来，在同一频率上实现全双工，即在同一频段上同时发送和接收信号，最大限度地利用频谱，一直是无线电工程师们的目标。我们可以把其他全双工方法想象成一条双车道公路，车辆在不同的车道上朝不同的方向行驶；而同一频率上的全双工则只建一条车道，汽车同时朝两个方向行驶。这对于交通来说或许是荒谬的，但是对于无线电工程来说却是完全可能的。

需要明确的是，在同一频率上实现全双工仍然是无线通信工程师们努力的目标。自干扰消除使无线设备更接近这一目标，它使无线设备能够抵消自己的传输，同时听到同一频率上的其他信号，但这并不是一项完善的技术。

自干扰消除刚刚开始成为主流应用。在美国，至少有3家初创公司在现实世界应用自干扰消除，即GenXComm、Lextrum和Kumu网络公司（我在Kumu网络担任产品管理副总裁）。哥伦比亚大学、斯坦福大学（Kumu网络就是在这里起步的）和得克萨斯大学奥斯汀分校等学校也有一些开发自干扰消除技术的实质性项目。

乍一想，自干扰消除可能很简单。毕竟，在信号发送之前，发射无线设备已确切地知道自己发射了什么样的信号。然后，发射无线设备所要做的就是在天线接收的混合信号中抵消自己的发射信号，以便听到其他无线设备的信号，是这样吗？

而实际上，自干扰消除要更加复杂一些，因为无线设备信号在传输之前必须经过的几个步骤会影响传输的信号。智能手机等现代无线设备是从软件传输的数字信号开始的。然而，在将数字信号转换为用于传输的射频信号的过程中，无线设备模拟电路产生的噪声导致射频信号失真，因此它不可能使用一模一样的信号来实现自消除。这种噪声很难预测，因为部分噪声是由环境温度和细微的制造缺陷造成的。

产生干扰的发射信号功率与期望接收的信号功率的量级差异也会影响自干扰消除的效果。无线设备放大器发射的功率比接收信号的功率要高许多数量级。这就好像你在试图听清几英尺外的人对你耳语，而同时你却在对他们大声吼叫一样。

此外，到达接收天线的信号与无线设备发送时的信号不完全相同。当它返回时，信号还包括附近树木、墙壁、建筑物或无线设备附近其他物体的反射信号。当信号从移动的物体（如人、车辆甚至暴雨）上反射时，情况会变得更加复杂。这意味着，如果无线设备只是按照信号发送时的样子来抵消发射信号，将无法抵消这些反射。

因此，要想有良好的消除效果，自干扰消除技术需要结合算法和模拟技巧，解释由无线电器件及其本地环境产生的信号变化。回想一下，我们的目标是创建一个与发射信号相反的信号，在与原始接收信号结合时，这种反向信号应完全抵消原始发射信号，即使有附加的噪声、失真和反射，也只留下接收信号。然而实际上，要衡量抵消技术是否成功，看的仍然是能抵消多少信号。

Kumu的自干扰消除技术试图在无线设备接收信号的3个不同时间点抵消发射信号。通过这种三级方法，Kumu的技术可以消除大约110分贝，而一般的网状Wi-Fi接入点只能消除20到25分贝。

第一步在模拟世界的射频（RF）级进行。无线设备一个的自干扰消除专用组件在发射信号到达天线之前对其进行采样。此时，无线设备已经完成对信号的调制和放大。这意味着，任何由无线设备自身的信号混合器、功率放大器和其他组件引起的不规则性都已经存在于样本中，因此可以通过简单地反转所采集的样本信号，并将其馈送到无线设备接收器来实现抵消。

下一步依然在模拟区域进行，目的是在中频（IF）级抵消更多的发射信号。中频，顾名思义，是无线设备在数字信号和实际发射信号之间的中间一步。中频通常用于降低无线设备的成本和复杂性。使用中频，无线设备可以重复使用滤波器之类的组件，而不是每个可能的工作频段和信道都用单独的滤波器。例如，Wi-Fi路由器和手机为了重复使用组件，都首先将数字信号转换为中频，仅在后面的过程中，再最终将信号转换为发射频率。

Kumu自干扰消除技术的中频消除方式与射频消除方式相同。在将中频信号转换为发射频率、进行调制和放大之前，发射器中的自干扰消除组件会对它进行采样。该信号被反转方向，应用于转换为中频之后的接收信号。这个过程中，Kumu自干扰消除技术有一个很有意思的特点，即采样步骤和消除步骤的过程是相反的。换言之，在发射器中自干扰消除组件先取样中频信号再取样射频信号，但在消除步骤中，该组件先抵消射频信号，再抵消中频信号。

Kumu消除过程的第三步，亦即最后一步，是对被转换成数字形式的接收信号应用一种算法。该算法将剩余的接收信号与进行中频和射频转换之前的原始发射信号进行比较。该算法实质上是梳理接收信号，找出可能由发射器件或附近环境反射而引起的残留影响，并将其消除。

没有哪一个步骤是100%有效的。但这些步骤合在一起，就可以抵消足够多的发射信号，进而能够在同一频率上接收到其他强度适当的信号。对于许多重要的应用，例如前面描述的Wi-Fi中继器，这种消除已经足够了。

 

 

正如我之前提到的，工程师们还没有完全实现同一频率上的全双工无线通信。目前，自干扰消除正被部署在发射器和接收器彼此靠近的应用里，在同一物理机箱中，但不共享同一天线。让我们来看几个重要的例子。

Kumu的技术已经在4G网络中进行了商业化部署。借助自干扰消除，一种被称为中继节点的设备可以填补覆盖漏洞。中继节点本质上是一对背靠背连接的双向无线设备。这对无线设备中的第一个无线设备面向4G信号塔，接收来自网络的信号；第二个无线设备面向覆盖漏洞，在同一个频率上将信号传递给覆盖漏洞中的用户。该节点还接收来自覆盖漏洞中用户的信号，并在同一个频率上再次将其中继到信号塔。中继节点类似于传统的中继器和扩展器，通过中继来自远方的广播信号来扩展覆盖区域。不同的是，中继节点不会放大噪声，因为它们的工作是解码和重新生成原始信号，而不仅仅是放大信号。

 

由于中继节点完全用于重新发送信号，为了使该节点正常工作，面向4G信号塔的发射器不得干扰面向覆盖漏洞的接收器。复用频谱存在的一个大问题是发射信号的“声音”比接收信号的“声音”大几个数量级。你不希望节点中继用户的信号被自己重新发送的信号淹没，同样也不希望面向覆盖漏洞的发射器淹没来自信号塔的信号。自干扰消除技术通过抵消自己的发射信号，来防止一个无线设备的发射信号淹没另一个无线设备正在接收的信号。

正在进行的5G网络部署为自干扰消除提供了更好的机会。5G与前几代蜂窝网络技术不同，它包含了小型基站，即相距100到200米的微型信号塔。5G网络需要小型基站，因为这一代蜂窝技术采用了更高频率的毫米波信号，毫米波信号的传播距离没有其他蜂窝频率的传输距离远。小基站论坛（Small Cell Forum）预测，到2025年，全球将安装超过1300万个5G小型基站。每一个小型基站都需要一条专用链路，被称为“回程链路”，与网络的其余部分相连。绝大部分回程链路将采用无线形式，因为用光缆替代它的成本更高。事实上，为了开发更健壮、更高效的无线回程链路，5G行业正在开发一套被称为“综合接入和回程”（IAB）的标准。

就像它的名字一样，IAB包括两部分。首先是接入，智能手机等本地设备能够与最近的小型基站通信；其次是回程，小型基站能够与网络其他部分通信。5G IAB的第一个建议方案是在同一高速信道上轮流进行接入和回程通信，另一个方案是两组通信分别使用单独的信道。两个方案都有重大缺点。共享同一信道的问题是带来时间延迟，影响时延敏感的应用，如虚拟现实和多人游戏。另一方面，使用单独的信道会产生很高的成本：你已经将价格昂贵、需要为该网络获得许可的无线频谱的数量增加了一倍。在这两种情况下，你都没有最高效地利用无线容量。

如长期演进中继节点示例所示，自干扰消除可以在回程无线设备的接收器上抵消来自同一小型基站的接入无线设备发射的信号，同样，也可以在接入无线设备的接收器上抵消来自同一个小型基站的回程无线设备发射的信号。最终的结果是，即使小型基站的接入无线设备正在与附近的设备通话，该基站的回程无线设备仍然可以接收来自更广泛的网络的信号。

Kumu的技术还没有在使用IAB的5G网络中进行商业部署，因为IAB还是一项相当新的技术。制定移动通信协议的第三代合作伙伴计划（3GPP）于2020年6月冻结了第一轮IAB标准，此后，Kumu一直在通过行业试验完善其技术。

 

 

最后值得一提的技术是Wi-Fi，它开始更多地使用网状网络。例如，家庭Wi-Fi网络现在需要连接个人电脑、电视、网络摄像头、智能手机和智能家居设备，不管它们位于家中何处。一个路由器足可以覆盖一所小房子，但更大的房子，或一栋小办公楼，可能需要一个有两到三个节点的网状网络才能提供完整的覆盖。

 

当前流行的Wi-Fi网状网络技术会为网状网络节点之间的专用内部通信分配一些可用的无线频段。这样一来，它们就减少了原本可以提供给用户的一些容量。而自干扰消除技术可以实现内部通信和设备信号同时使用相同的频率，提高性能。但可惜的是，这种应用与4G和5G的应用还是有一定的差距。照现在的情况，为Wi-Fi网状网络开发自干扰消除技术的成本不划算，因为这些网络处理的流量通常比4G和5G基站低得多。

网状网络正越来越多地部署在蜂窝网络和Wi-Fi网络中。蜂窝和Wi-Fi技术在功能和使用方式上越来越相似，而网状网络可以解决两者都会遇到的覆盖和回程问题。网状网络也易于部署和“自我修复”，这意味着数据可以自动路由绕过故障节点。通过同一频率上的全双工，健壮的4G网状网络已经真正得到了极大的改进。预计在不久的将来，这也会同样出现在5G和Wi-Fi网络中。

它来得正好。无线通信技术的发展趋势是在相同数量的频谱中实现越来越多的功能。自干扰消除将实际可用的频谱数量增加了1倍，将助力迎来全新的无线通信应用。

作者：Joel Brand