5G全双工技术浅析

首先阐述了实现全双工技术的最大挑战是自干扰，其次以发射信号为参考，通过一些电路算法实现逐级消除自干扰，进一步验证了全双工技术的可行性，为提高5g频谱效率提供了参考价值，最后指出了全双工技术实现商业化所面临的一些挑战。

5g 全双工自干扰频谱效率

a brief discussion on 5g full duplex technique

tian zhong-yi

5g full duplex self-interference spectral efficiency

1 引言

无论是tdd还是fdd，目前的无线通信技术并未实现真正的全双工。全双工技术允许在同一信道上同时接收和发送，这无疑大大提升了频谱效率。目前很多人认为全双工技术将是5g技术的关键技术之一，因此本文对全双工技术进行简单剖析，并阐述其实现的原理。

2 全双工技术面临的挑战

要了解全双工技术，首先要从双工方式说起。fdd（频分双工）采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号，而tdd（时分双工）发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行。这两者都不是全双工，因为都不能实现在同一频率信道下同时进行发射和接收信号。

全双工技术可以实现发射和接收信号在同一频率同一时间进行，这大大提升了频谱效率。不过，一直以来全双工技术的发展都面临着一个严峻的挑战――自干扰。由于无线系统中发射信号会对接收信号产生强大的自干扰，如果采用全双工，系统根本无法正常工作。在全双工模式下，如果发射信号和接收信号不正交，发射端产生的干扰信号比接收到的有用信号要强数十亿倍（大于100db），因此全双工最核心的技术就是消除这100db的自干扰。

3 自干扰产生和消除原理

发射信号会对接收信号产生强大的自干扰，具体如图1所示。

由图1可知，由于双工器泄露、天线反射、多径反射等因素，发射信号掺杂进接收信号，由此产生了强大的自干扰。

如何消除这些干扰？由于发射信号是已知的，所以可以用发射信号作为参考来消除自干扰。不过这个参考信号只能从数字基带域获得，而当数字信号转换为模拟信号后，由于线性失真和非线性失真的影响，很难从中获得参考。因此，任何自干扰消除技术如果要想成功，必须要考虑发射信号的非线性失真。

另外，为了避免接收饱和，必须要考虑接收端模/数转换器的分辨率限制，因此输入模/数转换器的自干扰信号强度必须确保小于一个确定值。解决了这些问题，就能有效地分解出干扰信号，将它消除。

4 自干扰消除的具体实现

目前，一些研究团队已经突破了消除自干扰这一难题，其实现原理主要是参考发射信号，通过一些电路算法逐级消除自干扰，实现原理图如图2所示。

自干扰消除的具体实现过程如下：

第一步，对前端天线和双工器进行专门的设计，以最小化泄露和反射信号。

第二步，对干扰进行模拟消除。抽取接收信号，并从中滤除发射信号（模拟）。为了避免饱和，需要考虑模/数转换分辨率。

第三步，对干扰进行数字消除。抽取接收信号，并从中滤除发射信号（数字）。此时，需要考虑线性失真和非线性失真。

5 全双工技术的主要优势

得益于强大的自干扰消除技术，真正的全双工通信成为可能，无线频谱效率大大提高，时延也大幅缩短，因此如果能够将自干扰消除技术完美地应用，那无疑将是无线产业的一次

颠覆性创新。

首先，由于实现了同一信道同时发送和接收，相比fdd和tdd的半双工技术，全双工通信的频谱效率将提升一倍。

其次，相比tdd技术，全双工可大幅度缩短时延。全双工技术下，发送完数据之后即刻接收反馈信息，减少了时延。另外，在传送数据包的时候，无需等待数据包完全到达才发送下一个数据包，特别是在重传的时候，时延更会大大减小。

6 全双工技术面临的挑战

目前全双工技术均在实验阶段，尽管有了一些技术突破，但要真正实现和应用，还面临着3个方面的挑战。

一是电路板件设计，自干扰消除电路需满足宽频（大于100mhz）和多mimo（多于32天线）的条件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。

二是物理层、mac层的优化设计问题，比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ack等，尤其是针对mimo的物理层优化。

三是对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化，以及对现有帧结构和控制信令的优化问题。7 结论

全双工技术的实现必然是无线产业的一次颠覆性创新，目前已有运营商将其列为5g关键技术之一。5g网络将拥抱万物连接，在频率资源弥足珍贵的今天，全双工技术将大大提升频谱效率，助力5g发展。