?引言

收音機如何同時發送和接收？我們將研究這一復雜的現象，您將掌握其要點。我們將探討多用戶全雙工通信。我們還將重點介紹主要挑戰并演示MIMO解決方案。最后，我們將介紹其應用和優勢。

為什么MIMO系統在多用戶全雙工通信方面表現出色？

MIMO系統是實現此特定功能的最佳選擇。這些系統為每個數據流使用多個天線。這種使用極大地增強了多用戶全雙工通信。經典的雙工系統遇到了許多限制。我記得在期的網絡設置中工作時，經典的雙工是一個持續的瓶頸。相比之下，MIMO技術利用了空間域。

這個過程為用戶形成了獨立的路徑。這個過程被稱為空間效率 (Spatial Efficiency)，是系統能與8個或更多用戶一起工作的原因。干擾水平要低得多，數據傳輸也快得多。此功能對5G系統至關重要。

多用戶全雙工通信的基礎知識！

讓我們進入基礎知識。您將體會到這項技術是如何工作的。

同步TX/RX

這是主要特性。TX表示發送，RX表示接收。在打電話時，一個人可以發出語音，同時接收到對方的語音。舊的雙工電報是這方面的一個早期例子?，F代系統需要先進的信號處理。另一個重要組成部分是回聲消除，它可以阻止您的信號遮擋輸入。

最多8個信道

許多系統支持8個信道。這種支持意味著8個用戶可以同時傳輸。這種能力對團隊極為有益。這方面的例子包括SA618F30等模塊。像消防或電影攝制組這樣的復雜場景變得更容易管理。當更多用戶可以接收無限信號時，團隊合作變得更加順暢。您是否曾嘗試在嘈雜的環境中用延遲的對講機協調團隊？那幾乎是不可能的。來自多用戶全雙工通信設置的即時、同步反饋改變了游戲規則。

FD-MU-MIMO

這個縮寫詞的意思是全雙工多用戶MIMO (Full Duplex Multi User MIMO)。您需要理解這個術語的兩個方面。那么，什么是全雙工通信？“全雙工”部分回答了這個問題。這意味著TX和RX同時發生。多用戶MIMO意味著許多用戶可以同時參與。這對網絡來說是一個優勢，因為它使帶寬和容量增加了一倍。這項技術對5G、物聯網系統以及多用戶全雙工通信的未來非常重要。

HD(半雙工)

這部分說明了什么是全雙工和半雙工通信的范圍。HD，即半雙工 (Half-Duplex)，是不同的。一個數據流一次只在一個方向上移動。以對講機為例。您按下一個按鈕 (PTT) 才能通話。您不能同時通話和收聽。這種方法會導致延遲。更快的通信稱為全雙工通信。

MIMO技術如何實現FD-MU系統？

MIMO是關鍵的推動者。這就是各個部分組合在一起的方式。

多天線

MIMO系統使用多個天線，這定義了“多輸入多輸出”(Multiple-Input Multiple-Output) 系統。老式的無線半雙工系統只有一個。天線越多，您能捕捉到的信號就越多。您捕捉到的信號越多，您可以發送的數據就越多。您發送的數據越多，您創建的路徑就越多。這個過程對于用戶分離至關重要。這種設計也有助于消除自干擾。最少需要兩個天線。

波束成形

波束成形是一種智能天線操控技術，可以集中無線信號。它將信號對準特定用戶，最好地描述為“聚光燈”。這種技術可以防止信號擴散。它還減少了干擾，這意味著信號更強。范圍也更廣。在測試中您可以達到6公里到7公里。根據施普林格 (Springer) 的研究人員的說法，信號與泄漏噪聲比 (SLNR) 預編碼方法是關鍵，因為它“在性能和復雜性之間實現了更好的權衡?！?這種先進的處理正是使波束成形在現實世界的多用戶全雙工通信環境中如此有效的原因。

空間域

設備所占據的世界部分就是“空間域”。對于MIMO設備，此域是一個資源空間。它可以通過不同的空間路徑在相同頻率上發送不同的數據流。這種技術被稱為空間復用 (spatial multiplexing)。這提供了連接多個用戶的優勢，同時降低了信道重疊的風險。這就是8個用戶可以同時連接的方式。

5G網絡

5G網絡使用MIMO系統，使其成為全雙工通信的最佳范例之一。5G網絡對低延遲的高速度有很高要求。FD-MU-MIMO滿足了這一需求，有助于同時為多個設備提供服務，并使物聯網成為可能。智慧城市和自動駕駛汽車都得到了這項技術的支持。這種支持反過來又使MIMO系統對于5G網絡變得無價。

多用戶全雙工(FD-MU)通信的技術推動者！

多用戶全雙工通信中的關鍵挑戰！

這項技術雖然具有開創性，但面臨一些需要解決的關鍵問題。

自干擾

SI是列表上的頭號問題。您自己的發射器信號聲音太大，泄漏到接收器中。這個信號淹沒了接收器，使其無法聽到。這類似于人們在試圖傾聽時傾向于大喊大叫。舊的電話雙工線圈系統試圖解決這個問題。更現代的系統更喜歡SI消除器，它可以將SI降低100 dB。

多用戶干擾

多用戶干擾 (MUI) 是一種現象，即多播用戶由于距離過近而導致其信號受到干擾。這在密閉空間內尤其成問題。他們在一個區域內的信號質量顯著下降。這直接影響了他們的數據傳輸速率。波束成形有助于處理MUI問題。MUI問題也可以通過使用其他多用戶技術的排他性來解決。這有助于確保和保持信號清晰度。我們經常在密集的公寓樓中看到這種情況，那里有幾十個Wi-Fi信號在爭奪同一空間。

同信道干擾

同信道干擾 (CCI) 是指在鄰近區域的用戶由于使用相同頻率信道的信號重疊而造成的干擾。這主要在雙工系統通信中觀察到。CCI的功能就像一個主要的噪聲源，提高了捕獲區域的噪聲水平。這使得接收微弱信號變得更加困難。這是消費者在日常通信中面臨的現象。如果要減輕和消除CCI，必須使用雙工頻率協調和CCI管理。

信號泄漏

信號泄漏是隱蔽功率的直接和無意的發射。一個用戶在信號路徑內的泄漏信號會干擾另一用戶的信號路徑。這在某種程度上降低了信干噪比 (SINR) 水平。這就是對SINR產生影響的因素，信號泄漏也會降低SINR。通過管理未使用的SINR殘留干擾和泄漏，可以最大限度地提高用戶性能。但是，如何在不犧牲信號功率的情況下實際管理這種泄漏呢？這是工程師面臨的核心挑戰。

多種優化MIMO的預編碼技術！

以下是4種MIMO技術的匯編，它們使用先進的波束成形來解決干擾問題。用戶可以使用這四種波束成形技術來優化干擾。

SLNR (提議中)：SLNR表示信號與泄漏噪聲比 (Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio)。這是一種仍在改進中的方法。它特別適用于多用戶全雙工通信。它在兩個目標之間取得了平衡。它優化用戶的信號。它還最大限度地減少了對其他用戶的泄漏。SLNR提供了一種閉式解 (closed-form solution)。它有時優于其他算法。

ZF (迫零)：Zero-Forcing簡稱ZF。這種預編碼方法不太復雜。它試圖將MUI（即多用戶干擾）強制為零。這在某些雙工系統中在一定程度上有用。然而，ZF在一個方面存在缺陷。它沒有考慮噪聲。在信噪比低的區域，ZF表現不佳。事實上，ZF往往會增強噪聲，使其成為穩健的多用戶全雙工通信的不良選擇。

BD (塊對角化)：Block-Diagonalization通常稱為BD。這是另一種常用方法。而且，它是ZF的擴展。它為擁有多個天線的用戶提供了改進。BD完全消除了用戶組干擾。然而，基站主要需要一個ZF天線。這往往會增加系統的成本。

PCA (白化)：PCA是主成分分析 (Principal Component Analysis)。它也可以被描述為白化濾波器 (whitening filter)。它主要在接收端使用。這通過改變CCI加噪聲矩陣或SI加噪聲矩陣來減少干擾。這是一個清潔濾波器。它增強了SLNR預編碼器的性能。

多用戶全雙工通信中的頻譜效率！

頻譜效率 (Spectral Efficiency) 是用于量化給定系統有用性的術語。它也是最重要的指標。那么，讓我們來看看數字。

容量加倍：在一個系統中，全雙工能力可以使頻譜效率加倍。與半雙工系統相比，這是一個非常重要的性能指標。這是多用戶全雙工通信的核心優勢。

64.4% 的增益：了解差異的基礎和在不同構建系統中所測量的相關增益非常重要。測試表明，在全雙工系統中，頻譜效率相比半雙工系統有64.4%的增益。這是一個巨大的進步。2023年《科學報告》(Scientific Reports) 上的一項研究指出，這種增益“由于新方法克服了維度限制而是可觀察到的”。這表明多用戶全雙工通信的理論前景正在實踐中得到滿足。

SE 改進 (更多天線)：系統的頻譜效率隨著所用天線數量的增加而增加。在這種情況下，隨著系統中更多用戶和更多天線，增益肯定會增加。

SLNR 表現更優：在提議的方案中，具有額外天線的 SLNR (信號與泄漏噪聲比) 表現最佳。與迫零 (Zero-Forcing) 和塊對角化 (Block-Diagonalization) 技術相比，該方法可實現更高的頻譜效率。

FD-MIMO的4個實際應用！

在提議的眾多系統中，有幾個是可以實踐的。在這種情況下，讓我們看四個。

消防通信

這是最重要的領域之一。壓縮的多用戶全雙工通信是一個非常有用的工具。消防員可以實時相互通信。這對于舊的雙工電報通信系統是一個很大的改進。救援人員不僅可以從指揮官那里接收信息，還可以做出回應。這提高了在密閉空間內使用網狀網絡 (Mesh networking) 的安全性和協調性。

工廠 (工業)

像其他組織環境一樣，這些地方也有很多噪音。全雙工通信比使用手持收音機（半雙工）的舊系統要好得多。這使得工人們可以自由交流，而不受需要按下按鈕的限制。這種通信允許對許多過程進行實時糾正。避免了大量事故，從而提高了生產線的產量。還可以為每個系統提供1W的功率，為多用戶全雙工通信提供強大而有效的信號。

電影制作

電影片場可能相當混亂。導演需要傳達信息，攝像團隊需要回應。全雙工系統使這成為可能。他們使用對講系統。這有助于消除大喊大叫的需要。此外，它還有助于節省大量時間。例如，16K的采樣率有助于提高整體音頻清晰度。這對于專業精神非常重要。我們G-NiceRF已經看到我們的全雙工音頻模塊（如SA618F30）正為此目的而被大量采用。清晰度和無延遲至關重要。

5G/物聯網

物聯網(IoT) 是一個由許多相互關聯的設備組成的系統，需要許多互連。5G網絡有助于提供所需的速度。FD-MU-MIMO系統提供了所需的容量。這為智能傳感器的使用提供了條件。它有助于智能農業以及智慧城市中的設備。這就是我們的LoRa模塊發揮作用的地方。它有助于物聯網的建設，特別是對于將數據反饋回高速5G網絡的遠程、低功"應用。

未來：多用戶全雙工通信中的能源效率！

下一個主要步驟是能源。我們需要使這項技術盡可能高效。

EE

EE表示系統的能源效率 (Energy Efficiency)，我們以 Bit/Hz/Joule 來衡量。這是一個重要的指標。它表示所用能量的多少。目標是減少能源消耗。這對于靠電池運行的設備至關重要。它有助于延長物聯網傳感器的壽命。

功率模型

了解設備的功耗很重要。這就是功率模型的用途。該模型中包含傳輸功率 (Tx) 和電路功率。Tx是發送數據所需的功率。電路是運行設備的電路。兩個元素都必須優化。這提高了整個系統的效率。

電路功率

電路功率是一個重要因素。它包括靜態和動態功率。在全雙工中，需要額外的電路來進行SI消除。這個單元比舊電話中使用的更常見的電話雙工線圈要復雜得多。所有這些電路都會消耗能量。對先進電路日益增長的需求是開發低功耗電路。這是需要更多關注的領域。

FD >HD

研究還表明，FD可能更好。通過正確的預編碼器設計，全雙工有可能具有更高的EE。該系統的本質是它發送數據更快，從而提高了整體能源效率。因為完成任務所用的能量更少，所以系統在雙工系統的通信中變得更有效率。正如《IEEE Transactions on Signal Processing》所指出的，“全雙工多用戶MIMO系統的預編碼：頻譜和能源效率最大化”是下一個前沿。這證明，通過智能設計，多用戶全雙工通信的更高性能并不一定意味著更高的功耗。

常見問題！

什么是多用戶MIMO (MU-MIMO)？

MU-MIMO是多用戶多輸入多輸出 (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)。基站可以同時與多個用戶通信。它使用多個天線。這與單用戶MIMO不同，后者采用空間復用技術來辨別用戶。這對于Wi-Fi 6至關重要，對于5G也至關重要。您明白這與僅為單個用戶配備多個天線有何不同嗎？

FDD與TDD雙工有何不同？

這就回答了什么是全雙工和半雙工通信。FDD是頻分雙工 (Frequency Division Duplex)。它分配2個獨立的頻率。一個用于Tx，一個用于Rx。TDD，時分雙工 (Time Division Duplex)，使用1個頻率，但分割時間。Tx和Rx交替進行。FDD是全雙工，而TDD是半雙工。

5G系統中的自干擾是什么？

自干擾 (SI) 是5G的一個大問題。每個全雙工收音機都有這個問題。收音機有自己的發射器信號“泄漏”到其接收器中。5G信號功率高，泄漏非常強，比信號強100 dB。這也需要先進的數字消除技術。

LoRa是全雙工技術嗎？

這是最常被問到的問題之一。不，LoRa不是全雙工。它是半雙工。LoRaWAN也是如此。設備無法同時發送和接收。這與5G等全雙工通信示例不同。然而，一些定制系統可以采用兩個模塊來復制全雙工音頻。

什么是萊斯衰落 (Rician Fading) (LOS)？

萊斯衰落是一種信道模型。它解釋了信號傳輸的方式。它有一條主要的直射路徑，即視距 (LOS) 路徑。它還有幾條較弱的路徑。這些是漫射路徑。這在開闊空間中很典型。此模型不同于瑞利衰落 (Rayleigh fading)。瑞利衰落沒有直接的LOS路徑。

MIMO系統在解決困難的干擾問題的同時，還提高了系統的速度。您學習了預編碼方法，并看到了多小區全雙工系統。這項技術是低功耗的。準備好構建您的系統了嗎？請在G-NiceRF為您的多用戶全雙工通信需求尋找專業的射頻解決方案。