?引言

收音機如何同時發(fā)送和接收？我們將研究這一復(fù)雜的現(xiàn)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(zhàn)并演示MIMO解決方案。最后，我們將介紹其應(yīng)用和優(yōu)勢。

為什么MIMO系統(tǒng)在多用戶全雙工通信方面表現(xiàn)出色？

MIMO系統(tǒng)是實現(xiàn)此特定功能的最佳選擇。這些系統(tǒng)為每個數(shù)據(jù)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(jīng)典的雙工系統(tǒng)遇到了許多限制。我記得在期的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中工作時，經(jīng)典的雙工是一個持續(xù)的瓶頸。相比之下，MIMO技術(shù)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(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸也快得多。此功能對5G系統(tǒng)至關(guān)重要。

多用戶全雙工通信的基礎(chǔ)知識！

讓我們進入基礎(chǔ)知識。您將體會到這項技術(shù)是如何工作的。

同步TX/RX

這是主要特性。TX表示發(fā)送，RX表示接收。在打電話時，一個人可以發(fā)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。現(xiàn)代系統(tǒng)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(tǒng)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(fù)雜場景變得更容易管理。當(dāng)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(huán)境中用延遲的對講機協(xié)調(diào)團隊？那幾乎是不可能的。來自多用戶全雙工通信設(shè)置的即時、同步反饋改變了游戲規(guī)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(shù)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(fā)生。多用戶MIMO意味著許多用戶可以同時參與。這對網(wǎng)絡(luò)來說是一個優(yōu)勢，因為它使帶寬和容量增加了一倍。這項技術(shù)對5G、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(dǎo)致延遲。更快的通信稱為全雙工通信。

MIMO技術(shù)如何實現(xiàn)FD-MU系統(tǒng)？

MIMO是關(guān)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(tǒng)使用多個天線，這定義了“多輸入多輸出”(Multiple-Input Multiple-Output) 系統(tǒng)。老式的無線半雙工系統(tǒng)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(fā)送的數(shù)據(jù)就越多。您發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，您創(chuàng)建的路徑就越多。這個過程對于用戶分離至關(guān)重要。這種設(shè)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(shù)，可以集中無線信號。它將信號對準(zhǔn)特定用戶，最好地描述為“聚光燈”。這種技術(shù)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(dá)到6公里到7公里。根據(jù)施普林格 (Springer) 的研究人員的說法，信號與泄漏噪聲比 (SLNR) 預(yù)編碼方法是關(guān)鍵，因為它“在性能和復(fù)雜性之間實現(xiàn)了更好的權(quán)衡。” 這種先進的處理正是使波束成形在現(xiàn)實世界的多用戶全雙工通信環(huán)境中如此有效的原因。

空間域

設(shè)備所占據(jù)的世界部分就是“空間域”。對于MIMO設(shè)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(fā)送不同的數(shù)據(jù)流。這種技術(shù)被稱為空間復(fù)用 (spatial multiplexing)。這提供了連接多個用戶的優(yōu)勢，同時降低了信道重疊的風(fēng)險。這就是8個用戶可以同時連接的方式。

5G網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)使用MIMO系統(tǒng)，使其成為全雙工通信的最佳范例之一。5G網(wǎng)絡(luò)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(shè)備提供服務(wù)，并使物聯(lián)網(wǎng)成為可能。智慧城市和自動駕駛汽車都得到了這項技術(shù)的支持。這種支持反過來又使MIMO系統(tǒng)對于5G網(wǎng)絡(luò)變得無價。

多用戶全雙工(FD-MU)通信的技術(shù)推動者！

多用戶全雙工通信中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)！

這項技術(shù)雖然具有開創(chuàng)性，但面臨一些需要解決的關(guān)鍵問題。

自干擾

SI是列表上的頭號問題。您自己的發(fā)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(tǒng)試圖解決這個問題。更現(xiàn)代的系統(tǒng)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(xiàn)象，即多播用戶由于距離過近而導(dǎo)致其信號受到干擾。這在密閉空間內(nèi)尤其成問題。他們在一個區(qū)域內(nèi)的信號質(zhì)量顯著下降。這直接影響了他們的數(shù)據(jù)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(shù)的排他性來解決。這有助于確保和保持信號清晰度。我們經(jīng)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(qū)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(tǒng)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(qū)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(xiàn)象。如果要減輕和消除CCI，必須使用雙工頻率協(xié)調(diào)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(fā)射。一個用戶在信號路徑內(nèi)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(chǎn)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(zhàn)。

多種優(yōu)化MIMO的預(yù)編碼技術(shù)！

以下是4種MIMO技術(shù)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(shù)來優(yōu)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(biāo)之間取得了平衡。它優(yōu)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(yōu)于其他算法。

ZF (迫零)：Zero-Forcing簡稱ZF。這種預(yù)編碼方法不太復(fù)雜。它試圖將MUI（即多用戶干擾）強制為零。這在某些雙工系統(tǒng)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(qū)域，ZF表現(xiàn)不佳。事實上，ZF往往會增強噪聲，使其成為穩(wěn)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(tǒng)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(yù)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(tǒng)有用性的術(shù)語。它也是最重要的指標(biāo)。那么，讓我們來看看數(shù)字。

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

64.4% 的增益：了解差異的基礎(chǔ)和在不同構(gòu)建系統(tǒng)中所測量的相關(guān)增益非常重要。測試表明，在全雙工系統(tǒng)中，頻譜效率相比半雙工系統(tǒng)有64.4%的增益。這是一個巨大的進步。2023年《科學(xué)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(tǒng)的頻譜效率隨著所用天線數(shù)量的增加而增加。在這種情況下，隨著系統(tǒng)中更多用戶和更多天線，增益肯定會增加。

SLNR 表現(xiàn)更優(yōu)：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(xiàn)最佳。與迫零 (Zero-Forcing) 和塊對角化 (Block-Diagonalization) 技術(shù)相比，該方法可實現(xiàn)更高的頻譜效率。

FD-MIMO的4個實際應(yīng)用！

在提議的眾多系統(tǒng)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(lǐng)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(tǒng)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(yīng)。這提高了在密閉空間內(nèi)使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) (Mesh networking) 的安全性和協(xié)調(diào)性。

工廠 (工業(yè))

像其他組織環(huán)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(tǒng)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(chǎn)線的產(chǎn)量。還可以為每個系統(tǒng)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(dāng)混亂。導(dǎo)演需要傳達(dá)信息，攝像團隊需要回應(yīng)。全雙工系統(tǒng)使這成為可能。他們使用對講系統(tǒng)。這有助于消除大喊大叫的需要。此外，它還有助于節(jié)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(yè)精神非常重要。我們G-NiceRF已經(jīng)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(guān)重要。

5G/物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 是一個由許多相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備組成的系統(tǒng)，需要許多互連。5G網(wǎng)絡(luò)有助于提供所需的速度。FD-MU-MIMO系統(tǒng)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(nóng)業(yè)以及智慧城市中的設(shè)備。這就是我們的LoRa模塊發(fā)揮作用的地方。它有助于物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，特別是對于將數(shù)據(jù)反饋回高速5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程、低功"應(yīng)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(shù)盡可能高效。

EE

EE表示系統(tǒng)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(biāo)。它表示所用能量的多少。目標(biāo)是減少能源消耗。這對于靠電池運行的設(shè)備至關(guān)重要。它有助于延長物聯(lián)網(wǎng)傳感器的壽命。

功率模型

了解設(shè)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(fā)送數(shù)據(jù)所需的功率。電路是運行設(shè)備的電路。兩個元素都必須優(yōu)化。這提高了整個系統(tǒng)的效率。

電路功率

電路功率是一個重要因素。它包括靜態(tài)和動態(tài)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(fù)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(fā)低功耗電路。這是需要更多關(guān)注的領(lǐng)域。

FD >HD

研究還表明，F(xiàn)D可能更好。通過正確的預(yù)編碼器設(shè)計，全雙工有可能具有更高的EE。該系統(tǒng)的本質(zhì)是它發(fā)送數(shù)據(jù)更快，從而提高了整體能源效率。因為完成任務(wù)所用的能量更少，所以系統(tǒng)在雙工系統(tǒng)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(tǒng)的預(yù)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(shè)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(fù)用技術(shù)來辨別用戶。這對于Wi-Fi 6至關(guān)重要，對于5G也至關(guān)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(tǒng)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(fā)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(shù)字消除技術(shù)。

LoRa是全雙工技術(shù)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(shè)備無法同時發(fā)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(tǒng)可以采用兩個模塊來復(fù)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?shù)姆绞健Ｋ幸粭l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(tǒng)在解決困難的干擾問題的同時，還提高了系統(tǒng)的速度。您學(xué)習(xí)了預(yù)編碼方法，并看到了多小區(qū)全雙工系統(tǒng)。這項技術(shù)是低功耗的。準(zhǔn)備好構(gòu)建您的系統(tǒng)了嗎？請在G-NiceRF為您的多用戶全雙工通信需求尋找專業(yè)的射頻解決方案。