同時同頻全雙工

同頻同時全雙工，Co-frequency Co-time Full Duplex, CCFD。CCFD無線通信設備使用相同的時間、相同的頻率，同時發射和接收無線信號，使得無線通信鏈路的頻譜效率提高了一倍。

簡介

同時同頻全雙工(CCFD)的典型工作特徵如上圖所示，近端設備與遠端設備的無線業務相互傳輸發生在同樣的時間、相同的頻率頻寬上，這與現有的時分雙工(TDD: Time Division

CCFD原理

Duplexing)和頻分雙工(FDD: Frequency Division Duplexing)體制相比，理論頻率效率可以提升1倍。

由於收發同時同頻，CCFD發射機的發射信號會對本地接收機產生干擾，使用CCFD的首要工作是抑制強自干擾。自干擾消除能力將直接影響CCFD系統的通信質量。

自干擾消除技術最初套用在電話系統、都卜勒雷達中。通信系統的信號頻寬、頻率、自干擾信號消除量等指標與上述兩個系統存在差別。例如，電話系統中聲音接收信號支路對發射支路過來的干擾的抑制量，ITU要求的是不到30dB，而無線通信宏基站要求的自干擾抑制量，某些場景中會達到130dB，兩者相差100dB。一般來說，已有的自干擾消除技術不能直接套用在CCFD系統中。

發展歷程

國外研究成果

早在1997年，G. R. Kenworthy申請了美國專利“Self-Cancelling Full-Duplex RF Communication System”。專利中明確描述了一種全雙工通信系統，該系統採用射頻干擾抑制、數字干擾抑制兩級進行自干擾消除，達到同時同頻收發信號的效果。

近年來，史丹福大學、萊斯大學、加州大學等國際知名院校均進行了同時同頻全雙工的理論探索以及工程實現，發表了多篇IEEE頂級會議及期刊論文，並製作出了相關的實驗平台，得到了明確的實驗數據(見下表)。

	項目	加州大學	萊斯大學	斯坦福2012	斯坦福2013	電子科大2012	電子科大2013
1	天線配置	1T1R	1T1R	1T1R	1T1R	1T1R	2T2R
2	頻率	2.4 GHz	2.4 GHz	2.4 GHz	2.4 GHz	1.6~4.0 GHz	2.5~2.7 GHz
3	信號頻寬	30MHz	10 MHz	10 MHz	80 MHz	20 MHz	20 MHz
4	發射天線功率	10dBm	10 dBm	10 dBm	20 dBm	10 dBm	23 dBm
5	空域自干擾抵消能力	無	20dB	20 dB	15 dB	20 dB	45 dB
6	射頻域自干擾抵消能力	47 dB	35 dB	45 dB	63 dB	55 dB	35 dB
7	數字域自干擾抵消能力	無	26 dB	30 dB	35 dB	31 dB	27 dB
8	總抵消能力	47 dB	55 dB	90~95 dB	105~110 dB	91 dB	107 dB
9	實驗環境	微波暗室無多徑	實驗室; 多徑環境	實驗室; 多徑環境	實驗室; 多徑環境	實驗室; 多徑環境	實驗室; 多徑環境
10	實驗設備	安捷倫儀器	Warplab	儀器與自製硬體混合	儀器與自製硬體混合	自製uSDR	自製uSDR

國內研究成果

電子科技大學

2005年，電子科技大學唐友喜教授申請了國防專利“XXX通信系統中的一種XX接收方法”，2010年3月授權。該專利給出了在相同時間、相同頻率上工作的兩個設備進行自干擾抑制的一種方法。2010年以來，唐友喜團隊針對同一載體中多個設備的同時同頻工作方法、同時同頻全雙工自干擾消除方法等方面申請多個專利，並發表多篇IEEE頂級期刊、會議論文。

2013年1月18日，電子科技大學唐友喜教授團隊完成了4G（第4代移動通信系統）中的同時同頻全雙工(CCFD)技術實驗驗證(實驗視頻請搜尋“CCFD_電子科技大學唐友喜團隊同時同頻全雙工演示視頻_V.2.0”，具體實驗數據見上表)，在相同的時間及頻率資源條件下，使4G空中接口提高了一倍的頻譜效率，業務速率從30Mbps提升到60Mbps，是國內第一個4G CCFD實驗床測試場景。這標誌著我國CCFD技術實現了從理論研究到工程實現驗證的飛躍。

2013年12月，唐友喜教授團隊進一步完成了兩發兩收LTE全雙工實驗驗證，將自干擾總抑制能力提高至107dB。該實驗驗證完成了國內首個多天線LTE全雙工實驗平台，自干擾對消能力在國際處於領先地位。

北京大學

2006年，北京大學焦秉立教授申請了同時同頻全雙工的相關專利，從2006年至2013年，北京大學持續進行了同頻同時全雙工的研究，共申請相關專利10餘項，並發表多篇IEEE頂級期刊和會議文章。

近年來，北京大學在同頻同時全雙工組網技術上進行了持續深入的研究，提出了蜂窩小區採用同頻同時全雙工的演進方案，即：基站發射天線採用中心式布局，而基站接收天線採用分散式。這樣在干擾消除能力受限情況下仍可實現系統容量的大幅提升。在此基礎之上，焦秉立教授團隊實現了蜂窩小區同頻同時全雙工硬體演示系統原型機，迄今為止，已有包括華為、大唐、美國普林斯頓大學、台灣新竹交通大學等20餘家公司和科研院所前來參觀演示系統，並給予了高度的評價。

2013年6月，北京大學率先實現了同頻同時雙工單小區試驗演示系統，該系統包括一個基站和兩個移動終端：基站工作方式為同頻同時全雙工，其覆蓋直徑為100米，終端為TDD模式，其頻寬效率為TDD系統的兩倍。

西安電子科技大學

2009年以來，西安電子科技大學張海林教授團隊針對同時同頻全雙工中繼網路傳輸機制、雙源全雙工的QoS保障等方面進行了深入研究，共發表多篇IEEE頂級期刊和會議論文，申請專利10餘項。

張海林團隊經過多年的持續研究，提出了基於“環路干擾自編碼特徵”的全雙工中繼網路分散式空時編碼方法，能夠在獲得對剩餘環路干擾的魯棒性、達到滿協作分集增益；在此基礎上，又提出了雙中繼場景下基於“環路互干擾自編碼特徵”的分散式空時編碼方法，也能夠達到滿協作分集增益。針對雙源全雙工網路，提出了能同時支持全雙工通信和半雙工通信的鏈路層媒體接入控制（MAC）協定，解決了傳統的基於半雙工通信的MAC協定不適用於雙源全雙工網路的問題。團隊的研究成果得到了同行的大量引用和高度評價。

用途與套用場景

同時同頻全雙工，將革命移動通信、衛星通信、數據鏈、軍用電台、微波接力等等技術對應的設備，市場前景巨大，將是未來十年最核心的無線通信技術變革！