学术报告：《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》2014年9月特刊——带内全双工无线通信的挑战与机遇

作者与发表信息
本文由多位资深学者合作完成，包括IEEE Fellow Ashutosh Sabharwal（美国莱斯大学）、Philip Schniter（俄亥俄州立大学）、Senior Member Dongning Guo（西北大学）、Daniel W. Bliss（亚利桑那州立大学）、Sampath Rangarajan（NEC美国实验室）以及Risto Wichman（芬兰阿尔托大学）。论文发表于2014年9月的《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》第32卷第9期，是一篇特邀综述论文（Invited Paper），主题为带内全双工（In-Band Full-Duplex, IBFD）无线通信技术的现状与未来发展方向。

学术背景与研究动机
带内全双工（IBFD）技术允许无线终端在同一频段内同时进行发射和接收，理论上可将频谱效率提升一倍，因而成为下一代无线网络的研究热点。然而，IBFD面临的核心挑战是自干扰（Self-Interference）——终端发射信号对其自身接收端的干扰。传统半双工或带外全双工系统通过时分或频分隔离收发，而IBFD需在相同频段内实现信号共存，这对自干扰抑制技术提出了极高要求（例如需达到106 dB的抑制量）。本文旨在系统梳理IBFD的技术瓶颈、现有解决方案及跨层设计机遇，推动其在WiFi、蜂窝网络等场景的应用。

核心观点与论据

1. 自干扰抑制的技术分类与挑战

   • 传播域抑制（Propagation-Domain）：通过天线隔离、交叉极化或波束成形降低自干扰。例如，实验显示在无反射环境中，商用天线可实现74 dB抑制，但在多反射室内环境仅能达46 dB。
     
   • 模拟电路域抑制（Analog-Circuit-Domain）：在ADC前通过模拟电路对发射信号进行相位/增益调整并反向抵消。窄带系统中可通过复数增益和延迟调整实现，但宽带信号需自适应滤波，硬件复杂度高。
     
   • 数字域抑制（Digital-Domain）：在ADC后通过数字信号处理（DSP）消除残余干扰。但受限于ADC动态范围（如14位ADC仅提供约54 dB有效范围），需结合前两级抑制才能实现可行性能。
     

2. IBFD的应用场景与拓扑结构
   论文分析了三种典型拓扑的频谱效率增益：

   • 中继拓扑（Relay Topology）：全双工中继节点可同时接收源信号和转发至目标节点，理论吞吐量翻倍，但需解决源节点对目标节点的跨终端干扰。
     
   • 双向拓扑（Bidirectional Topology）：两个IBFD终端同时收发，需协调自干扰与信号质量平衡。实验显示，通过混合抑制策略可实现室内WiFi级通信。
     
   • 基站拓扑（Base Station Topology）：全双工基站可同步处理上下行链路，但需优化资源分配以应对移动终端间的动态干扰。
     

3. 跨层设计与网络协议革新
   IBFD打破了传统半双工的网络约束，需重新设计协议栈：

   • 物理层：需联合优化编码、波束成形和信道估计。例如，MIMO系统可通过空域资源分配抑制干扰。
     
   • 媒体接入控制（MAC）层：IBFD终端可实现“边发边听”，从而实时检测冲突或获取反馈。例如，WiFi协议中引入全双工可减少隐藏节点问题。
     
   • 虚拟全双工（Virtual Full-Duplex）：当硬件抑制不足时，通过快速开关时隙（On-Off Signaling）实现帧级全双工，已在邻居发现和定位中验证可行性。
     

4. 历史沿革与当前进展

   • 雷达领域的先导应用：连续波（CW）雷达自1940年代即采用IBFD，但受限于发射功率与隔离技术，仅适用于短距场景。
     
   • 通信领域的突破：2010年后，Rice大学、Stanford大学等通过实验验证了IBFD在小型蜂窝网络中的可行性，推动其从理论走向工程。
     

论文价值与意义
本文首次系统整合了IBFD的技术链条，从物理层硬件设计到网络层协议优化，为研究者提供了全景视角。其核心贡献包括：
1. 技术指导性：明确自干扰抑制需多域协同，提出“传播-模拟-数字”三级抑制框架。
2. 跨学科启发性：揭示了IBFD对信息论、信号处理及网络协议的深远影响，如MIMO容量分析与分布式调度算法。
3. 应用前瞻性：指出小型化终端设计、低功耗ADC开发及环境自适应算法是未来关键方向。

亮点
- 实验驱动：引用多组实测数据（如ADC动态范围限制、室内外抑制差异）强化结论可信度。
- 跨层视角：突破传统通信研究分层局限，强调物理层与网络层的协同设计必要性。
- 历史对比：通过对比雷达与通信系统的IBFD发展路径，提炼技术迁移的共性挑战。

本文为后续研究奠定了方法论基础，并为5G/6G的高效频谱利用提供了重要参考。