学术报告：IEEE Communications Magazine 2015年5月期刊论文《Recent Advances in Antenna Design and Interference Cancellation Algorithms for In-Band Full-Duplex Relays》综述

作者与机构
本论文由来自阿尔托大学（Aalto University）的Mikko Heino、Sathya Venkatasubramanian、Taneli Riihonen、Emilio Antonio-Rodríguez、Clemens Icheln、Katsuyuki Haneda和Risto Wichman，以及坦佩雷理工大学（Tampere University of Technology）的Dani Korpi、Timo Huusari、Lauri Anttila和Mikko Valkama共同完成，发表于2015年5月的《IEEE Communications Magazine》。

研究主题与背景
论文聚焦于同频全双工（In-Band Full-Duplex, IBFD）中继技术，这是第五代移动通信（5G）中提升频谱效率的关键技术之一。传统半双工系统需通过时分或频分隔离上下行链路，而同频全双工允许设备在同一频率上同时收发信号，理论上可将频谱效率提升一倍。然而，其核心挑战是自干扰（Self-Interference, SI）——发射信号对接收链路的强耦合干扰（功率差可达60–100 dB）。论文系统探讨了如何通过天线设计、模拟射频（RF）抵消和数字信号处理（DSP）算法的协同创新，实现自干扰的高效抑制。

核心观点与论据

1. 同频全双工中继的应用潜力与挑战
   论文指出，尽管5G目标要求吞吐量提升1000倍，但IBFD技术仅能贡献约2倍的频谱效率提升。然而，在多跳中继场景中，IBFD的优势尤为显著：中继节点必须对称转发数据，天然适合全双工操作。相比之下，基站-终端链路因上下行流量不均（如DL:UL=9:1），全双工增益有限。作者引用Ericsson和Nokia的统计数据，论证了中继部署是IBFD技术最理想的应用场景。

2. 自干扰抑制的三阶段技术框架

   • 被动隔离（Passive Isolation）：通过天线设计降低初始耦合。论文提出一种基于谐振波陷（Resonant Wavetraps）的天线结构（图3），通过在接地平面上布置λ/4短路线微带贴片，控制表面电流分布。实测显示，该设计在2.56 GHz频点实现71 dB隔离度（较无波陷设计提升21 dB），且带宽内隔离度稳定在65 dB以上（图4）。
     
   • 模拟射频抵消（RF Cancellation）：采用两抽头延迟线结构（图6a），手动调整参考信号的相位和幅度，抵消主自干扰路径。实验中使用低成本TI CC2595功率放大器（PA），在20 dBm发射功率下实现15–22 dB的额外抑制。
     
   • 数字抵消（Digital Cancellation）：针对PA非线性（如频谱再生）和I/Q失衡，提出并行Hammerstein模型（图5a），通过高阶多项式（如7阶）和记忆效应建模，联合处理非线性失真。仿真表明（图5b），在24 dBm发射功率下，非线性数字抵消将信干噪比（SINR）提升至接近理论极限（与线性抵消相比改善15 dB）。

3. 系统集成与实测验证
   研究团队构建了完整的IBFD中继演示系统（图6a），集成上述技术。实测结果显示（图6b–c），在2.47 GHz频段、20–24 dBm发射功率下，总自干扰抑制接近100 dB，残余干扰低于接收机噪声地板（-91.5 dBm/MHz）。这一结果证明了低成本组件下IBFD中继的可行性。

4. 技术局限性与未来方向
   论文指出，即使自干扰被抑制到噪声水平以下，全双工的实际增益仍依赖于双向流量的平衡性。此外，动态环境（如散射体移动）要求自适应算法持续跟踪SI信道变化。作者建议进一步研究MIMO场景下的联合优化算法和硬件实现。

论文价值与亮点
1. 技术创新：
- 谐振波陷天线设计为紧凑型中继提供了高隔离度解决方案；
- 非线性数字抵消算法首次在MIMO全双工系统中实现PA非线性与I/Q失衡的联合建模。
2. 工程意义：通过集成低成本组件（如TI PA）和标准化DSP流程，论文为IBFD技术的商业化部署提供了可行性验证。
3. 学术影响：研究团队提出的三阶段抑制框架（天线隔离+RF抵消+非线性DSP）成为后续全双工研究的基准范式，被多篇后续文献引用（如文献[16]–[17]）。

总结
本文系统阐述了同频全双工中继的核心技术挑战与解决方案，通过跨层设计（天线、射频、算法）实现了接近理论极限的自干扰抑制。其成果不仅推动了5G中继技术的发展，也为物联网（IoT）等低功耗高密度网络提供了新思路。