5G全双工技术浅析
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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
Firstly， self-interference was pointed out that it is the greatest challenge to realize full duplex technique. Secondly， transmitted signal being reference， self-interference could be cancelled step by step using circuit algorithms to both further verify the feasibility of full duplex technique and enhance 5G spectral efficiency. Finally， some challenges to realize commercialization of full duplex technique were presented.
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。
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