在大學(xué)的電子工程系課程中，我們曾經(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間(技術(shù)上來說是半雙工)中進行。也就是說，如果不是在不同的頻率下同時進行發(fā)射與接收，就是在不同的時間下以相同頻率發(fā)射與接收。然而，根據(jù)美國紐約哥倫比亞大學(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)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片，可在相同頻率下同時實現(xiàn)全雙工，從而提高了一倍的無線通信速度。

CoSMIC Lab以納米級CMOS建置的全雙工收發(fā)器IC，可在相同頻率下以無線電實現(xiàn)同時傳送與接收。(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，一般都認為不可能在相同頻率下實現(xiàn)全雙工，因為如果你在相同頻率下同時發(fā)射和接收，接收器將會因為發(fā)射器的干擾而失效——發(fā)射器的干擾信號可能比所需接收的信號更強大10億倍。但我們已經(jīng)設(shè)計出一種針對回音干擾或自相干擾的消除機制，能夠以十億分之一的準確度過濾發(fā)射器的干擾，使所接收的信號在經(jīng)過干擾消除后更易于偵測。”

根據(jù)Krishnaswamy表示，如果沒有他們的研究團隊開發(fā)出這種電路，“全雙工”無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共同進行這項研究。

“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，”Krishnaswamy說：“我們已經(jīng)找到可實現(xiàn)這一理想的方法了，只要利用一個微小的 CoSMIC 芯片即可完整傳送這種電磁無線信號。”

傳統(tǒng)的RF通訊(左圖)，以及在相同頻率下同時實現(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”機制—— CoSMIC ——就安裝在接收器的輸入埠，可壓抑響亮的傳輸信號，因而可以可以聽見安靜的接收器信號。

“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。這極其難以實現(xiàn)，特別是因為發(fā)射器在反射附近的物體時，其自干擾或回音都會扭曲并發(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，他的研究團隊已設(shè)計出一種能以單芯片實現(xiàn)這一目標的電路了。研究人員們將開始試著加倍無線信號的速度——特別是智能手機與平板機用的Wi-Fi與蜂窩式通訊。

“無線通信正面臨著應(yīng)對5G進展提升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)則將在實現(xiàn)這一目標時發(fā)揮十分重要的作用，”Krishnaswamy說。

除了RF ，這項技術(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線技術(shù)，”Krishnaswamy補充。

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