1.1 全双工技术的提出

在过去的二三十年里，随着移动通信技术的飞速发展，无线通信的用户数和数据流量迅速增长。根据爱立信的公司报告，2012年全球有62亿部移动终端在使用，这个数字在2017年将会增加到90亿部，即超过世界的总人口数[8]。2010～2016年，中国移动互联网流量发展情况比较如图1-1所示[9]，在这6年中，移动互联网接入的流量由3.9亿G增长至93.6亿G，移动互联网每月户均接入流量由66.1 M增长至772 M。

图1-1 2010～2016年移动互联网流量发展情况比较

无线通信的业务需求在迅速膨胀，人们需要更多的频谱资源。但由于电磁波传播特性的制约，尽管通信技术在进步，可用于支持移动环境下的无线频谱资源却无法增加。在密集组网情况下，频率资源显得尤为重要。由于干扰问题，宽带通信的频率规划和重复使用进一步凸显用户通信的频带占有和资源之间的矛盾，其中同频干扰成为最根本的问题[10]。

为解决现实生活中无线业务需求不断增长与频谱资源日益匮乏之间的矛盾，通信界在理论和技术上进行的长期研究，其核心问题是如何提高频谱效率。同频同时全双工技术正是这样一种新型的空口技术，它将传统通信节点的发射和接收信号设置在相同频点和相同时间内，因此，该技术可以将频谱效率增加一倍。

为了区别传统通信中全双工节点的描述，我们把上述技术称为同频同时全双工。将同频同时全双工用于移动通信基站是一个大胆而富有创新的想法，该专利由北京大学于2006年提交专利[11]。它将移动通信系统中基站的发射和接收信号设置在同频点和同时间上。无论比较传统频分双工（Frequency Division Duplex, FDD）系统还是时分双工（Time Division Duplex, TDD）系统，同频同时全双工系统都可以将频谱效率提高一倍，然而，新技术带来的挑战需要克服上行链路和下行链路在基站处的强干扰，这种干扰称为自干扰（Self-Interference, SI），上述专利描述的基站干扰消除器需要消除的干扰就是自干扰。在同频组网的情况下，基站干扰消除器不仅需要消除本机站干扰，而且需要消除来自邻基站的干扰。

为简单明了，我们接收一个全双工节点子干扰消除场景如图1-2所示。目前，同频同时全双工的自干扰消除通常采用以下3种技术的组合：天线隔离技术、模拟自干扰消除技术和数字干扰消除技术。其中，天线隔离技术是一种利用电磁波传播和衰减特性的方法，指的是通过天线设计，降低发射天线与接收天线之间的电磁耦合或者使电磁波在天线上实现反向抵消，使通信节点发射信号在其接天线处尽可能小；模拟自干扰消除指的是，从接收机的模拟信号中减去其中包含发射机信号的部分；数字干扰消除指的是，从接收机的A/D转换器输出的数字信号中减去数字的自干扰部分。上述干扰消除方法中，第一种属于被动干扰消除方法，而后两种方法属于主动自干扰消除方法。而两种主动干扰消除方法的区别在于，一种工作在模拟域，另一种工作在数字域。由于3种方法工作在信号处理的不同器件上，它们的效果在一定范围内具有累加性。理论上讲，自干扰是可以被完全消除的，因此该技术在理论上可以将频谱效率提高一倍。但在实际工作中，由于信号处理技术的精确性和数字采用的量化限制，我们尚无法彻底消除这种自干扰。因此，同频同时全双工系统的容量提升尚无法达到传统系统的两倍。就目前技术能力，点对点同频同时全双工的容量能达到传统系统的1.8倍以上。这个指标标志着同频同时全双工的点对点通信技术已经基本成熟。

图1-2 CCFD系统自干扰消除

深入研究干扰消除，我们必须认识到全双工系统的自干扰实际上是本通信节点同节点的发射机信号，因此对于接收机而言，自干扰是完全已知的干扰。不难理解，理论上这种干扰是可以完全消除的。然而实际中最大的困难是：同频同时全双工的自干扰发射天线距接收天线很近，其干扰强度很强；而节点需要接收的通信信号来自较远地方，因此极其微弱。这个巨大差异要求自干扰消除器具有超级消干扰能力[12]。以微蜂窝小区（Femto-Cell Cellular, FCC）系统[13]为例，设基站的发射功率为21 dBm，接收本底噪声功率为-100 dBm；假设基站发射机和接收机天线之间的隔离度为20 dB，那么进入模拟和数字干扰消除器的自干扰功率尚有大约为1 dBm。考虑实际通信情况，我们尚需消除大约101 dB才能较好地发挥系统通信能力，即使得同频同时全双工的容量可能接近半双工的两倍容量。如果应用于宏蜂窝，那么就需要更大的自干扰消除能力。目前普遍认为，基站应用的同频同时全双工自干扰消除能力需要达到120～130 dB。为了实现这样的优质干扰消除器，可能使得信号处理进入非线性区域，它表现在非线性的相位噪声、IQ路不平衡、功放的非线性等各个方面。它是新系统干扰消除器实现方法的最大挑战之一。

然而随着近年来电子工艺、技术以及通信信号处理水平的提高，自干扰消除能力正在逐渐提升。比如美国斯坦福大学于2014年利用多抽头技术实现了115 dB的SI消除能力，北京大学实现了同频同时全双工点对点500 m距离的视频通信，消干扰能力超过120 dB等；这些演示系统对CCFD技术走向应用打下坚实的基础。

相对于传统的TDD或者FDD, CCFD具有的优势有如下几个方面。

（1）可以使频谱效率提高一倍

在CCFD系统中，收发可以同时使用所有的可利用频带，只要CCFD的自干扰消除能力足够强，CCFD的容量可达到半双工容量的两倍[14][15]。

（2）能减少中继系统中的端到端延迟

将同频同时全双工技术用于系统中继，其同时发射和接收信号，在不增加频率的条件下，减少中继辅助下端到端之间通信的延迟时间[16][17]。

（3）能够增加网络安全

当两个节点同时传送信息，而信息又处于同一频带时，这就意味着窃听者收到的是两路信号的叠加；当窃听者企图窃取一路信号时，另一路信号则相当于同频干扰，这样窃听者就不容易解调出目标信号，因而网络的安全性得到提高[18][19]。

（4）能够使频谱的利用模式更加灵活

传统的通信系统中，频谱的利用模式只能是半双工的，比如TDD或者FDD; CCFD可以让通信系统的上、下行链路中增加一项新的可选模式。当系统的SI消除效果比较好、CCFD的频谱效率高于半双工模式时，设定系统工作在CCFD模式；反之，设定系统工作在传统的FDD或者TDD模式。CCFD给系统的双工模式提供了一项新的选项，系统的双工模式更加灵活[20][21]。