如何制造一台忽略自身信号的收音机

无线网络并非无处不在。我们都看到了这样的影响:通话中断，网页有时需要很长时间才能加载。我们的覆盖出现这种漏洞的最根本原因之一是，今天的无线网络绝大多数都配置为星型网络。这意味着有一个位于中心位置的基础设施，如基站或路由器，以星爆模式与周围的所有移动设备通信。

只有当一种不同类型的网络——网状网络——增强这些星型网络时，无处不在的无线覆盖才会出现。与星型网络不同，网状网络由相互通信的节点以及最终用户设备组成。有了这样的系统，无线网络中的覆盖漏洞可以通过简单地增加一个节点来携带信号绕过障碍物来填补。例如，在一栋接收信号较差的建筑中，可以通过安装一个与主路由器通信的节点来加强Wi-Fi信号。

然而，目前的无线网状网络设计存在局限性。到目前为止，最大的问题是，如果一个网状网络中的节点使用相同的频率来发送和接收信号，那么它在中继数据时将会自我干扰。所以目前的设计是在不同的频带上发送和接收。但频谱是一种稀缺资源，特别是对于蜂窝网络和Wi-Fi所使用的高流量频率而言。当手机信号塔和Wi-Fi路由器在大多数时间里都能很好地保持人们的联系时，很难证明投入如此多的频谱来填补覆盖漏洞是合理的。

然而，这一突破甚至可以将网状网络带入要求最高、频谱密集的网络，例如连接组装车间机器人、自动驾驶汽车或无人机群的网络。事实上，这样一项突破性的技术正在出现:自干扰抵消(SIC)。顾名思义，SIC可以使网状网络节点通过在同一频率上发射和接收来抵消它所产生的干扰。该技术消除了单独发射和接收频率的需要，使节点的频谱效率提高了一倍。

现在世界上有数百亿的无线设备。据统计，其中至少有50亿是移动电话GSM协会．的无线网络联盟报告显示，全球有超过130亿台Wi-Fi设备在使用蓝牙特别兴趣小组预计2020年至2024年间蓝牙设备出货量将超过75亿台。现在是时候将无线网状网络引入主流了，因为无线功能被内置到更多的产品中——浴室秤、网球鞋、高压锅，以及不计其数的其他产品。消费者希望它们能在任何地方工作，而SIC将通过实现没有覆盖漏洞的强大网状网络使这成为可能。最重要的是，他们可能只需要使用少量的频谱就能做到这一点。

手机，无线路由器，还有其他双向收音机被认为是全双工收音机。这意味着它们能够同时发送和接收信号，通常是通过使用单独的发射器和接收器。通常，无线电将使用频分双工(即发射和接收信号使用两个不同的频率)或时分双工(即发射和接收信号使用相同的频率但在不同的时间)发射和接收信号。这两种双工技术的缺点是，理论上每个频段在任何给定时间都只被用于其潜力的一半——换句话说，要么发送要么接收，而不是两者都使用。

无线电，就像你手机里的无线电一样，通常使用不同的频率进行通信，或者在不同的时间使用相同的频率来发送和接收信号。这些技术在使用频谱时的效率是在同一时间使用相同频率时的一半。插图:Erik Vrielink

在同一频率上开发全双工是无线电工程师长期以来的目标，这将能够通过在同一频段上同时发射和接收来最大限度地利用频谱。您可以将其他全双工措施想象成一条双车道高速公路，在不同的车道上，车辆向不同的方向行驶。在相同的频率上实现全双工就像只建造一条车道，让汽车同时向两个方向行驶。这对交通来说可能是荒谬的，但对无线电工程来说却是完全可能的。

需要明确的是，在相同频率上实现全双工仍然是无线电工程师们仍在努力实现的目标。自干扰消除技术使收音机更接近这一目标，它使收音机能够消除自己的传输，同时听到相同频率的其他信号，但这并不是一项完善的技术。

SIC刚刚开始进入主流使用。在美国，至少有三家初创公司将SIC应用于现实世界:GenXComm，Lextrum,Kumu网络(我是产品管理副总裁)。在大学里，也有一些开发自我取消技术的实质性项目，比如哥伦比亚大学、斯坦福大学(Kumu Networks是在那里创办的)和德克萨斯大学奥斯汀分校．

乍一看，SIC似乎很简单。毕竟，发射无线电在信号发出之前就已经确切地知道它的发射信号是什么。然后，发射无线电所要做的就是从它的天线接收到的混合信号中抵消掉自己的发射信号以便听到其他无线电的信号，对吧?

实际上，SIC更为复杂，因为无线电信号在传输之前必须经过几个步骤，这些步骤可能会影响传输的信号。现代收音机，比如你智能手机里的收音机，都是从软件中传输的数字信号开始的。然而，在将数字表示转换为用于传输的射频信号的过程中，无线电的模拟电路产生了扭曲射频信号的噪声，使得不可能将信号原样用于自抵消。这种噪音不容易预测，因为它部分是由环境温度和细微的制造缺陷造成的。

干扰发射信号的功率与期望接收信号的功率之间的差异也会使对消混淆。无线电放大器发射的功率比接收信号的功率强许多个数量级。这就像你一边对着几英尺外的人大喊大叫，一边试图听到他们在跟你耳语。

无线电中的SIC组件在数字(1)、IF(2)和RF(3)层对发射信号进行采样。在中频和射频层，采样信号被几个分量(4)调整，以创建样本的逆。在数字层，算法抵消了由环境反射引起的信号变化(5)。当信号被接收时，SIC组件在RF (6)， IF(7)和数字(8)层抵消它。发射信号也被数字调谐器采样(9)，它将调整SIC组件(10)，以便下次更好地取消它。插图:Erik Vrielink

此外，到达接收天线的信号与无线电发送时的信号并不完全相同。当它返回时，信号还包括来自附近树木、墙壁、建筑物或无线电附近其他物体的反射。当信号被移动物体(如人、车辆甚至大雨)反射时，反射变得更加复杂。这意味着，如果收音机只是把发射信号抵消掉，就像收音机发出信号时那样，收音机就不能抵消这些反射。

因此，自干扰消除技术依赖于算法和模拟技巧的混合，以考虑无线电组件和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。当这个逆信号与原始接收信号结合时，理想情况下应该完全抵消原始发射信号——即使加上噪声、失真和反射——只留下接收信号。然而，在实践中，任何消除技术的成功仍然是由有多少它提供取消功能。

Kumu的SIC技术试图在无线电接收信号时，在三个不同的时间抵消发射信号。通过这种三层方法，Kumu的技术可以达到大约110分贝的消除，而典型的网状Wi-Fi接入点只能达到20到25分贝的消除。

在模拟领域进行的第一步是在无线电频率级别。在这里，无线电中专门的SIC组件在发射信号到达天线之前对其进行采样。此时，无线电已经调制并放大了信号。这意味着任何由无线电自身的信号混频器、功率放大器和其他组件引起的不规则现象都已经存在于样本中，因此可以通过简单地将采集的样本反转并将其输入到无线电的接收器中来抵消。

下一步，同样在模拟领域进行，在中频(IF)水平上抵消更多的发射信号。中间频率，顾名思义，是无线电产生数字信号和实际发射信号之间的中间阶段。中间频率通常用于降低无线电的成本和复杂性。通过使用中间频率，无线电可以重复使用滤波器等组件，而不是为无线电可能工作的每个频段和频道包含单独的滤波器。例如，Wi-Fi路由器和手机都是先将数字信号转换为中频以重复使用组件，然后再将信号转换为最终的传输频率。

Kumu的SIC技术处理IF抵消的方法与处理RF抵消的方法相同。SIC组件对发射器中的中频信号进行采样，然后将其转换为发射频率、调制和放大。然后，在接收信号转换为中频后，将中频信号反转并应用于接收信号。Kumu的SIC技术的一个有趣的方面是，采样步骤和抵消步骤是相互相反的。换句话说，当SIC组件在发射器中的RF信号之前对IF信号进行采样时，该组件在IF信号之前对RF信号进行抵消。

当手机距离发射塔足够近或在视线范围内时，它能够轻松地使用现有的双工技术进行通信(1)。中继节点可以通过使用自干扰抵消(SIC)来扩展发射塔的信号范围，而不会占用频谱。最好的效果是当手机被放置在信号塔中继节点的正对面时(2)。在一定角度上，为了保持通信清晰而需要取消的信号会变得更加棘手，因为信号开始相互干扰(3)。插图:Erik Vrielink

Kumu取消过程的第三步，也是最后一步，在接收到的信号转换成数字格式后，对其应用一种算法。该算法将剩余的接收信号与IF和RF步骤之前的原始发射信号进行比较。该算法基本上会对接收到的信号进行梳理，找出可能由发射器组件或发射信号通过附近环境反射引起的任何滞留效应，并消除它们。

这些步骤都不是百分之百有效的。但综合起来，它们可以达到一个足以抵消的水平，以消除足够多的发射信号，使接收到相同频率的其他相当强的信号。这种取消功能对于许多感兴趣的关键应用程序来说已经足够好了，比如前面描述的Wi-Fi中继器。

正如我之前提到的，工程师还没有完全实现全双工同频无线电。目前，SIC被部署在发射机和接收机彼此靠近的应用中，甚至在相同的物理机箱中，但不共享相同的天线。让我们来看几个重要的例子。

Kumu的技术已经在4G长期演进(LTE)网络中进行了商业部署，由于SIC的存在，一种名为中继节点的设备可以堵塞覆盖漏洞。中继节点本质上是一对背靠背连接的双向无线电。第一个无线电，面向4G基站，接收来自网络的信号。所述第二无线电，面向所述覆盖孔，以相同频率将信号传递给所述覆盖孔中的用户。该节点还从覆盖孔中接收来自用户的信号，并以相同的频率将它们中继到信号塔。中继节点的工作原理与传统的中继器和扩展器类似，后者通过在距离源更远的地方重复广播信号来扩大覆盖区域。不同之处在于，中继节点这样做不会放大噪声，因为它们解码并重新生成原始信号，而不仅仅是增强它。

由于中继节点完全重传信号，为了使节点正常工作，面向4G基站的发射机必须不干扰面向覆盖孔的接收机。记住，重用频谱的一个大问题是，发射信号比接收信号要响亮几个数量级。您不希望节点通过自己的重新传输来淹没它试图从用户那里转发的信号。同样，您也不希望发射机面向覆盖孔而淹没来自手机发射塔的信号。SIC通过取消自己的传输，防止两台收音机淹没对方正在收听的信号。

正在进行的5G网络部署为SIC提供了更大的机会。5G与前几代蜂窝不同，它包含了小细胞，基本上是间隔100至200米的微型基站。5G网络需要小型蜂窝，因为蜂窝发电利用频率更高的毫米波信号，其传播距离不如其他蜂窝频率。的小细胞论坛预计到2025年，超过1300万个5G小电池将在全球范围内安装。这些小蜂窝中的每一个都需要一个专用的链路，称为回程链路，将其连接到网络的其他部分。绝大多数回程链路将是无线的，因为光纤电缆的替代方案更加昂贵。事实上，5G行业正在制定一套名为综合接入和回程(IAB)，以开发更稳健和有效的无线回程链路。

顾名思义，IAB有两个组成部分。首先是接入，这意味着本地设备(如智能手机)与最近的小型手机通信的能力。第二个是回程，这意味着小单元与网络其余部分通信的能力。5G IAB最初提出的方案是允许访问和回程通信轮流使用同一高速信道，或者为两组通信使用单独的信道。两者都有很大的缺点。共享同一个频道的问题在于，对延迟敏感的应用程序(如虚拟现实和多人游戏)引入了时间延迟。另一方面，使用单独的频道也会产生巨大的成本:你需要为网络授权的通常昂贵的无线频谱数量增加了一倍。在这两种情况下，您都没有最有效地利用无线容量。

与LTE中继节点示例一样，SIC可以取消来自回程无线电接收器上一个小单元上的访问无线电的发射信号，并且类似地，取消来自a的传输信号回程用同一个小基站的无线电访问无线电接收器。最终的结果是，小区的回程无线电可以从更广泛的网络接收信号，即使小区的接入无线电正在与附近的设备通话。

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仍然相对较新。开发移动通信协议的第三代合作伙伴项目于2020年6月冻结了第一轮IAB标准，从那时起，Kumu一直在通过行业试验完善其技术。

最后一项有价值的技术值得一提的是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pc、电视、网络摄像头、智能手机和任何智能家居设备，而不管它们位于何处。一个路由器可能足以覆盖一间小房子，但更大的房子或小写字楼可能需要两到三个节点的网状网络来提供完整的覆盖。

目前流行的Wi-Fi网格技术为网格节点之间的专用内部通信分配了一些可用的无线频段。通过这样做，他们放弃了一些本来可以提供给用户的容量。SIC可以通过使内部通信和来自设备的信号同时使用相同频率来提高性能。不幸的是，与4G和5G应用相比，这一应用仍有一段距离。目前来看，为Wi-Fi网状网络开发SIC技术的成本效益并不高，因为这些网络处理的通信量通常比4G和5G基站低得多。

网状网络越来越多地被部署在蜂窝网络和Wi-Fi网络中。这两种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所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围绕故障节点路由。真正强大的4G LTE网状网络已经通过相同频率的全双工技术得到了极大的改善。我预计在不久的将来，5G和Wi-Fi网络也会发生同样的情况。

它会准时到达。无线技术的发展趋势是在等量的频谱中挤出越来越多的性能。SIC确实使可用频谱的数量翻了一番，通过这样做，它有助于引入全新的无线应用类别。

本文发表在2021年3月的印刷版上，题为“能听到自己声音的收音机”。