本文档属于类型a，是一篇关于单次原创研究的学术论文。以下是根据要求撰写的综合性研究报告。
本研究的主要作者包括Evan Everett、Achaleshwar Sahai和Ashutosh Sabharwal，他们均隶属于美国莱斯大学电气与计算机工程系。这项研究发表于2014年2月的《IEEE Transactions on Wireless Communications》期刊第13卷第2期，论文标题为《Passive Self-Interference Suppression for Full-Duplex Infrastructure Nodes》（全双工基础设施节点的被动自干扰抑制）。
本研究的核心科学领域为无线通信，具体聚焦于新兴的全双工（Full-Duplex， FD）无线通信技术。传统的无线设备采用半双工（Half-Duplex）模式，即在时间或频率上分开进行发射和接收，以避免高功率的发射信号对同时进行的弱接收信号产生毁灭性的自干扰（Self-Interference）。
近年来的研究通过结合主动抵消（Active Cancellation） 和被动抑制（Passive Suppression），已证明了短距离全双工通信的可行性。主动抵消利用节点对自身发射信号的认知，通过注入反相波形来抵消自干扰。然而，已有研究发现，主动抵消的性能受到射频损伤（如相位噪声、有限动态范围）的根本性限制，且其所能实现的抵消量在整个系统干扰抑制中占比有限。前期工作例如[11]表明，在总计85分贝的抑制中，有65分贝来自于被动抑制，仅有20分贝来自主动抵消。
被动抑制，指的是通过电磁手段隔离发射与接收天线的任何技术，如天线物理分离、方向性隔离等。尽管被动抑制在全双工设计中贡献了大部分抑制效果，但学术界对其能力和局限性的系统性理解却非常匮乏。是否存在影响被动抑制性能的根本瓶颈（如同影响主动抵消的射频损伤）？这些瓶颈是什么？
基于此背景，本研究旨在填补这一知识空白，对全双工基础设施节点的被动自干扰抑制能力与局限性进行首次全面的、基于测量的表征分析。研究目标明确：量化三种关键被动抑制机制的性能与局限，并探究被动抑制对残留自干扰信道特性的影响，从而为实际全双工系统的设计提供关键指导。
本研究是一项系统的实验性研究，工作流程严谨，主要分为以下几个步骤：
1. 实验设计与核心机制定义： 研究首先明确了三种待评估的关键被动抑制机制： * 方向性隔离（Directional Isolation， “d”）：使用方向性天线，使得发射天线在接收天线方向上的增益很低，反之亦然。 * 吸收性屏蔽（Absorptive Shielding， “a”）：在收发天线之间放置损耗性材料（射频吸收体）以衰减自干扰信号。 * 交叉极化（Cross-Polarization， “c”）：使发射和接收天线处于正交的极化状态（如一个水平极化，一个垂直极化）。
研究设计了五种不同的天线配置（图1所示），以涵盖不同的隔离场景： * 配置 I、II、III：使用90度波束宽度的定向板状天线，分别设置90度、60度波束分离和50厘米、35厘米天线间距，用于研究方向性隔离。 * 配置 IV、V：使用全向天线，间距分别为50厘米和35厘米，作为无方向性隔离的基线对比。 这些配置代表了紧凑型全双工部署（天线间距不超过50厘米），与研究非共址中继的大间距场景的早期工作[17-19]形成区别。
2. 实验环境与测量设置： 为探究环境反射对被动抑制的影响，实验在两个极端环境下进行： * 最佳环境：无反射室（Anechoic Chamber），几乎无环境反射，用于评估被动抑制机制的理论上限。 * 最差环境：一个具有金属墙壁的高反射性房间，作为实际部署中可能遇到的最坏情况。
核心测量设备为一台安捷伦E8364B网络分析仪。对于每一种天线配置、每一种被动抑制机制组合（用变量mech表示，如d, da, dc, dca等），研究人员将天线端口连接至网络分析仪，在WiFi ISM频段（2.40-2.48 GHz）内测量了两个天线端口之间的频率响应H(mech)(f)。每个频点测量20次以取平均降低噪声。通过网络分析仪的全双端口校准，将参考面精确设定在天线端口，以消除线缆和连接器的影响。
3. 数据处理与度量指标： 从测量的频率响应数据中，计算出两个核心指标： * 平均被动抑制（ᾱ(mech)_p）：定义为发射功率与接收机处自干扰入射功率之比，通过公式 ᾱ(mech)_p = 1 / (Σ|H(mech)(f)|² / N) 计算，反映了被动抑制机制整体上削弱自干扰的程度。 * 相干带宽（Coherence Bandwidth， B_c）与均方根时延扩展（RMS Delay Spread， σ_τ）：为研究频率选择性，对频域响应进行逆离散时间傅里叶变换得到功率延迟谱（Power Delay Profile）。由此计算出均方根时延扩展σ_τ，并利用经验关系式 B_c ≈ 0.02 / σ_τ 近似估算90%相干带宽，用以量化信道的频率选择性程度。
4. 原型系统构建与验证： 作为研究的第二个贡献，论文基于WARPLab框架开发了一个原型全双工基础设施节点。该原型工作在2.4 GHz，采用20 MHz带宽、64子载波的OFDM物理层。 * 被动抑制：采用配置II，并结合了吸收性屏蔽和交叉极化（mech = da, dca）。 * 主动抵消：采用了文献[7, 11]中研究的逐子载波（Per-Subcarrier）模拟和数字抵消机制。这种方法通过OFDM导频估计自干扰信道，生成抵消波形在射频路径注入（模拟抵消），再在基带进行残留干扰的估计与消除（数字抵消）。 研究人员在室外部署该原型，评估其在同时进行上行和下行传输（三节点全双工场景）时的性能，关键指标是全双工上行链路速率相对于可比较的半双工上行链路的提升百分比。
实验产生了两个核心发现，它们紧密关联，共同揭示了被动抑制的内在局限性和对系统设计的影响。
结果一：环境反射是限制被动自干扰抑制量的根本瓶颈。 实验数据显示，在无反射室中，结合方向性隔离、吸收性屏蔽和交叉极化（dca）可以在所有定向天线配置中实现超过70分贝的被动抑制。然而，在反射房间中，抑制效果大幅下降。例如，对于配置I，在无反射室中单独使用方向性隔离（d）可获得45.3分贝抑制，添加吸收体（da）可再增加10分贝；但在反射房间中，d仅提供37.7分贝抑制，添加吸收体后仅微弱增加至39.4分贝。
数据支持与逻辑解释：图4的时间域信道响应对比清晰地揭示了原因。在反射环境中，被动抑制机制能有效抑制收发天线间的直射路径（Direct Path），但对经由环境物体反射的反射路径（Reflected Paths） 却无能为力。当直射路径被抑制到低于反射路径的强度（即“反射地板”，Reflection Floor）时，进一步的被动抑制将收效甚微，因为残留干扰主要由无法被动消除的反射路径主导。表I的数据对比直接支持了这一结论：在反射环境中，无论添加何种被动机制，最终抑制量都被限制在45分贝左右，远低于无反射室中的70+分贝。
设计启示：此结果直接引导出第一个设计准则：为了获得高水平的被动抑制，全双工基础设施的部署应尽量最小化天线附近的反射体。在不可避免的高反射环境中，无需投入过多资源追求超越环境反射强度的被动抑制。
结果二：被动自干扰抑制通常会降低残留自干扰信道的相干带宽（即增加频率选择性）。 图5的频域响应和图8的散点图数据均显示了这一趋势。在无反射室中，随着被动抑制机制的叠加（从d到dca），信道响应的频率波动显著加剧，相干带宽从初始的10-25 MHz缩小至3 MHz左右。在反射房间中，趋势相同但更剧烈，相干带宽迅速收敛到0.6-0.9 MHz，由环境的混响深度决定。
数据支持与逻辑解释：这一结果几乎是结果一的推论。被动抑制削弱了原本占主导地位的、通常是非频率选择性的直射路径，使得残留信道变为由多个反射路径叠加主导的多径信道（Multipath Channel）。这些反射路径在不同频率上发生建设性或破坏性干涉，自然导致了频率选择性。图7的理论分析模型（“两级”功率延迟谱）完美地预测了这一现象：随着直射路径与反射路径功率比（DRR）的下降（即被动抑制增强），信道的均方根时延扩展增加，相干带宽相应减小。
设计启示：此结果对主动抵消的设计至关重要。由于残留自干扰信道变得更具频率选择性，与被动抑制串联使用的主动抵消器必须能够处理频率选择性信号。图8(b)的计算表明，在强反射环境中，当被动抑制超过40分贝时，可能需要接近30个抽头的滤波器才能有效建模和抵消信道。因此，采用高阶滤波器或像原型系统那样采用逐子载波抵消策略（对每个窄带子载波进行平坦信道估计和抵消）将更为鲁棒和有效。
原型验证结果： 原型实验成功地将研究发现应用于实践。图11显示： * 在室外弱反射环境下，结合方向性隔离和吸收屏蔽（da）实现了平均60分贝被动抑制，加上交叉极化（dca）后达71分贝，与无反射室测量结果吻合。 * 在此基础上，主动抵消进一步贡献了约25分贝抑制，使总抑制量平均达到95分贝，最高超过100分贝。 * 系统性能上，具备交叉极化的全双工上行链路在遭遇86分贝路径损耗时，速率比可比较的半双工链路提升了96%。即使在超过100米（对应约100分贝路径损耗）的距离上，全双工原型依然能够稳定地超越半双工性能。
本研究通过系统的测量表征，首次全面揭示了全双工基础设施节点被动自干扰抑制的能力与根本局限性，并提出了关键的设计指导原则。
科学价值： 1. 理论贡献：明确了环境反射是制约被动抑制性能的根本瓶颈，将“反射地板”概念确立为被动抑制的理论上限。 2. 信道认知深化：揭示了被动抑制会系统性地改变自干扰信道的特性，将其从直射径主导的信道转变为多径主导的信道，从而显著增加其频率选择性。这加深了学术界对全双工自干扰信道本质的理解。 3. 完整技术图景：结合前人关于主动抵消受限于射频损伤的研究，本研究完善了全双工自干扰抑制技术的整体图景：被动抑制是第一道防线，但受限于反射；主动抵消是第二道防线，但受限于硬件损伤。两者需串联使用，且设计时需考虑彼此的相互影响。
应用价值： 1. 部署指南：为网络工程师部署全双工基站、接入点等基础设施提供了明确的指导：选择位置时应避开强反射体。 2. 系统设计准则：为全双工收发信机设计者提供了关键设计输入：当采用被动抑制时，必须配套设计能够应对频率选择性残留干扰的主动抵消方案（如高阶滤波或逐子载波抵消）。 3. 性能验证：通过原型系统展示了结合优化被动抑制与先进主动抵消的可行性，实现了超过90分贝的总抑制，并在实际距离上验证了全双工相对于半双工的显著性能增益，增强了全双工技术实用化的信心。
论文还就被动抑制对用户接入的影响进行了富有见地的讨论： * 方向性隔离与场景适配：指出配置I（90度分离）更适合三节点全双工（基础设施同时与两个不同的半双工用户通信），而两节点全双工（基础设施与单个全双工用户通信）则需要天线波束有重叠区。这提示了天线模式选择需与目标应用场景匹配。 * 交叉极化与用户设备：讨论了在视距和非视距环境下，基础设施采用交叉极化对用户设备天线极化的要求。提出了用户端可采用双极化天线或圆极化天线等解决方案，并指出智能手机的传感器可用于跟踪方向以实现极化匹配，这为跨层设计提供了思路。 * 对未来研究的启发：在结论中指出，本工作是迈向“被动抑制通用理论”的第一步。未来的研究方向可以是在给定尺寸约束、覆盖要求和散射环境描述下，求解最优天线设计和吸波体布局，以优化系统容量。这为后续更深入的理论建模和优化研究指明了方向。
本论文是一项在无线通信全双工技术领域具有里程碑意义的原创性工作，其严谨的实验方法、深刻的机理剖析和明确的设计指导，对推动全双工技术从实验室走向实际部署产生了深远影响。