在大學(xué)的電子工程系課程中，我們?cè)?jīng)學(xué)過“全雙工”(發(fā)送與接收)必須在不同的頻率或在不同的時(shí)間(技術(shù)上來說是半雙工)中進(jìn)行。也就是說，如果不是在不同的頻率下同時(shí)進(jìn)行發(fā)射與接收，就是在不同的時(shí)間下以相同頻率發(fā)射與接收。然而，根據(jù)美國(guó)紐約哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)的研究人員指出，這種單向的“全雙工”其實(shí)是騙人的。

哥倫比亞大學(xué)研究人員們最近展示一種稱為“哥倫比亞高速與毫米波IC”(CoSMIC)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片，可在相同頻率下同時(shí)實(shí)現(xiàn)全雙工，從而提高了一倍的無(wú)線通信速度。

CoSMIC Lab以納米級(jí)CMOS建置的全雙工收發(fā)器IC，可在相同頻率下以無(wú)線電實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳送與接收。(來源：Jin Zhou & Harish Krishnaswam/哥倫比亞大學(xué))

哥倫比亞大學(xué)電子工程學(xué)系教授Harish Krishnaswamy表示：“在此以前，一般都認(rèn)為不可能在相同頻率下實(shí)現(xiàn)全雙工，因?yàn)槿绻阍谙嗤l率下同時(shí)發(fā)射和接收，接收器將會(huì)因?yàn)榘l(fā)射器的干擾而失效——發(fā)射器的干擾信號(hào)可能比所需接收的信號(hào)更強(qiáng)大10億倍。但我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種針對(duì)回音干擾或自相干擾的消除機(jī)制，能夠以十億分之一的準(zhǔn)確度過濾發(fā)射器的干擾，使所接收的信號(hào)在經(jīng)過干擾消除后更易于偵測(cè)。”

根據(jù)Krishnaswamy表示，如果沒有他們的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出這種電路，“全雙工”無(wú)異是在旁邊有人扯開嗓門大聲吼叫的情況下試圖聽出有人小聲耳語(yǔ)的內(nèi)容。Krishnaswamy目前與哥倫比亞大學(xué)博士候選人Jin Zhou共同進(jìn)行這項(xiàng)研究。

“但是，如果你能以某種方式消除或阻斷掉旁邊的尖叫聲，要注意的是必須消除要到近乎完美，那么就可以聽到這些耳語(yǔ)，”Krishnaswamy說：“我們已經(jīng)找到可實(shí)現(xiàn)這一理想的方法了，只要利用一個(gè)微小的 CoSMIC 芯片即可完整傳送這種電磁無(wú)線信號(hào)。”

傳統(tǒng)的RF通訊(左圖)，以及在相同頻率下同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向全雙工(右圖)，從而使速度提高一倍。(來源：哥倫比亞大學(xué))

Krishnaswamy所謂的“回音消除”或“自干擾消除”機(jī)制—— CoSMIC ——就安裝在接收器的輸入埠，可壓抑響亮的傳輸信號(hào)，因而可以可以聽見安靜的接收器信號(hào)。

“該芯片的關(guān)鍵創(chuàng)新在于以十億分之一的精確度消除發(fā)射器的自干擾，它必須近乎精確地復(fù)制發(fā)射器自干擾。這極其難以實(shí)現(xiàn)，特別是因?yàn)榘l(fā)射器在反射附近的物體時(shí)，其自干擾或回音都會(huì)扭曲并發(fā)生變化。”

原則上，所有的RF通訊最適合于這種技術(shù)，Krishnaswamy指出，他的研究團(tuán)隊(duì)已設(shè)計(jì)出一種能以單芯片實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的電路了。研究人員們將開始試著加倍無(wú)線信號(hào)的速度——特別是智能手機(jī)與平板機(jī)用的Wi-Fi與蜂窩式通訊。

“無(wú)線通信正面臨著應(yīng)對(duì)5G進(jìn)展提升1,000X倍數(shù)據(jù)容量的需求，這將帶來重大的挑戰(zhàn)，而全雙工作業(yè)則將在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)時(shí)發(fā)揮十分重要的作用，”Krishnaswamy說。

除了RF ，這項(xiàng)技術(shù)也可用于使光通信信道的容量提高一倍。“我們一直在思考光學(xué)，但在不久的將來，我們可望更有效地掌握無(wú)線技術(shù)，”Krishnaswamy補(bǔ)充。

據(jù)Krishnaswamy與Zhou表示，他們開發(fā)的CMOS芯片必須以納米級(jí)制造，才能實(shí)現(xiàn)十億分之一的消除率。為了實(shí)現(xiàn)可進(jìn)行商用化的芯片封裝，研究團(tuán)隊(duì)正致力于與電子工程系統(tǒng)教授Gil Zussman的團(tuán)隊(duì)合作。此外，DARPA也贊助了這項(xiàng)研究。