本日的无线电技能与一个世纪前的险些完备不同。无数的技能进步使无线电设备更小巧、更可靠，电力和带宽的利用效率更高。但是，仍旧存在一个很大的限定成分：无线电设备仍旧无法在一个频率上同时收发旗子暗记。
这种在相同频率上同时收发的能力叫做全双工，对付无线网来说将是一个巨大的进步。它能够瞬间使网络承载数据的物理能力，即网络容量翻倍。目前，闲置无线电频谱已被挖掘得近乎枯竭，而数据需求却在不断增加（新兴5G网络的数据流量估量将增加1000倍）。在这个时候，全双工无线已经成为缓解频谱危急方法之探的希望。
现在，我们终于证明了全双工无线系统是实际可行且可靠的。在哥伦比亚大学实验室进行的FlexICoN项目，以及欧洲开展的DUPLOinitiative项目，都已解释了如何在目前打算和通信设备普遍利用的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路中实现全双工操作。这项事情是几年前的首次技能展示的延续。首次技能展示分属莱斯大学和斯坦福大学的不同项目，是利用实验室台式设备完成的第一批演示。斯坦福的研究项目后来衍生为一家创业公司：KumuNetworks。该公司利用分立元件在基站和根本举动步伐侧实现了全双工，由于基站和根本举动步伐对本钱和尺寸的限定不像手机那么严格。
在有线天下里，双工电路是老古董了。前电子时期早期的电话机手持发话器可以通过一个稠浊变压器电路将听筒与发话器分离，从而能够同时在一个信道上传送和吸收旗子暗记；这样，输出和返回的旗子暗记就可以在一对绞线等分别通过，而不会彼此滋扰。
在无线领域，全双工观点始于20世纪70年代。当时，PlesseyGroundsat系统可以在30～76兆赫甚高频（VHF）频段的信道上，为士兵供应全双工无线电通信。但是，当时这一功能只能在资金充足且发射和吸收天线可以拉开一定间隔的情形下才能实现。现今的军事系统利用光子技能将吸收器和发射器分隔，以实现在一个频率信道上同时收发旗子暗记。
但是将全双工技能用于民用举动步伐，如蜂窝通信和Wi-Fi，则比较困难，由于民用设备每每紧凑小巧，旗子暗记传输会在吸收器中产生大量自滋扰或回波。这种回波的强度可以比须要检测到的旗子暗记强度赶过十亿至万亿倍，若想要系统正常事情，就必须非常精确地肃清这种回波。
比较于民用系统，军事系统可以接管更大的重量、体积和更高的本钱，因此可以努力追求实现全双工。为了将这一技能用于智好手机等消费产品，研究职员必须在天线、电路设计和算法方面推出新技能。
这便是为什么本日的无线网络只是半双工。发射器和吸收器在不同的时隙发射和吸收（称为时分双工，TDD），或者同时在不同的频率上发射和吸收（称为频分双工，FDD）。由于韶光或频率资源只在部分韶光得到利用，以是这种网络的容量只有空想的全双工网络基本网络容量的一半。
从半双工走向全双工须要办理一个基本问题：一个无线设备之以是无法同时发射和吸收旗子暗记，与你无法在大声喊叫的同时听到微弱耳语声的缘故原由是一样的——滋扰声比旗子暗记声更大。要想肃清吸收器中的滋扰，可以通过在吸收器处抵消散落已知的发射器旗子暗记来实现。但这项任务并不像提及来这么大略。要记住，回波的音量是你努力要听到的旗子暗记音量的十亿到万亿倍，以是必须极其精确地肃清覆信。这意味着要肃清多个区域的滋扰：无线电频率（RF）、仿照、数字，乃至是天线接口处，我们稍后会对此进行解释。每个区域的滋扰肃清都必须和其他区域的滋扰肃清折衷同等。
此外，发射器的旗子暗记并不完备是已知的。发射器旗子暗记在进入吸收器中时，在天线接口中会产生频率失落真。更糟糕的是，发射器旗子暗记会从附近物体上反射出去，沿着不同的路径在不同韶光到达吸收器。因此，要想得到近乎完美的回波肃清效果（即构建一种回波来抵消原有的回波，使其大幅降落，比如降到不超过原来的十亿分之一），必须非常准确地确定并复制从发射器到吸收器的无线自滋扰信道。
滋扰旗子暗记当然是在仿照电路中吸收，在空想情形下，它们会被立即转交给数字电路，以更灵巧的办法加以处理。但是在全双工中，回波如此强大，导致仿照电路转交的是严重失落真的回波。以是我们必须先在仿照电路区域肃清一部分滋扰。
一种方法叫做时域肃清法。发射器的滋扰旗子暗记到达吸收器时，其反射旗子暗记（被附近物体反射后所形成）会经由一定时延后到达吸收器。如果想让抵消旗子暗记与滋扰旗子暗记同步，就必须让抵消旗子暗记通过预设的路径（大概有几厘米长），以模拟滋扰旗子暗记的时延。问题是，一个集成电路本身远不敷1平方厘米，以是这种时域肃清法不能在芯片上实现。
因此，本文作者之一(Krishnas-wamy)和他的博士生周瑾（Jin Zhou，音）提出了另一种方法：频域均衡法。这种方法的事情事理和立体声系统中的均衡器有些相似，在特殊的频段上调度音频旗子暗记的强度。为了把旗子暗记分为可以单独操纵的多个频段，我们利用多个滤波器，每个滤波器都有非常灵敏的频率相应能力（或高频率因子）；这些滤波器吸收传入的旗子暗记，但只有范围非常有限的频率才能通过。我们在全体旗子暗记频谱中放置了很多不同频率的滤波器。
以前，在芯片上做出灵敏的RF滤波器是不可能的。而我们利用一个电路设计技巧在纳米级CMOS芯片上做出了这种滤波器，称为N-path滤波器。传统的滤波器利用电感器和电容器，电感器很难放在芯片上。而N-path滤波器利用的是开关，也便是集成电路技能最基本的东西——晶体管。
其他团队也把N-path滤波器放置在了芯片上，但我们是第一个将N-path滤波器用于频域均衡的团队。结果显示，在全双工无线电系统中，利用N-path滤波器在很宽的频带上完成了回波肃清。
在我们的系统中，浩瀚N-path滤波器分接一小部分发射器旗子暗记。接下来，将RF旗子暗记分成两个频段（两个以上也可以）。然后，调度每个频段中的旗子暗记，模拟抵达吸收器的自滋扰。
该多频段方法将带宽分成小段，这种各个击破的计策使我们更随意马虎调节每一段带宽，即进行功率和相位调度。电路系统根据为频段指配的权重进行调节。还是用音频来打比喻，这就像是调高低音、调低高音，再加上其他调节，使输出旗子暗记与出入旗子暗记匹配。
下一步是让权重处理自动化，以便输出旗子暗记随着环境变革而变革。当然，环境变革是动态的，每秒都有颠簸，以是处理不得不自动化。我们已经做了一些颇有前景的初步自动化演示，但是这方面还有更多事情要做。
我们设计了一个吸收兼肃清滋扰的原型，然后用65纳米CMOS技能将其制作出来。我们的全双工吸收器可以在0.8到1.4吉赫之间的任一频率上事情，RF自滋扰肃清器卖力抑制发射器滋扰，适用于各种天线，带宽大约是现有传统滋扰肃清技能的10倍。我们只用了两个N-path滤波器就实现了10倍的性能上风。这已经足以兼容许多前辈的无线标准，包括LTE和Wi-Fi。如果增加滤波器的数量，滋扰肃清带宽会更大。
这种基于频率的肃清方法的另一个上风是，能与现有多频段的FDD无线系统兼容。如前所述，FDD是一种半双工技能，个中发射器和吸收器可同时在不同频率上事情。它哀求双工滤波器在共用天线中将发射器和吸收器分开。由于这些芯片外的双工滤波器无法调谐，以是，现今的智好手机要用一个单独的双工滤波器来支持每一个FDD频段——4GLTE支持25个频段，因此须要25个双工滤波器！
若想降落手机无线电元件的体积和本钱，只需用几个可调谐双工器件替代那些滤波器即可，但是这种可调谐的双工器件在分离发射器和吸收器方面常日不如固定频率的双工器有效，因此，吸收器特殊随意马虎受到发射器自滋扰的影响。这就须要肃清自滋扰。
自滋扰的切入点在于天线，以是在滋扰旗子暗记漏入吸收器之前，就在天线处将其抑制是再好不过的了。紧张寻衅在于如何让天线紧凑、小巧（比如用于手机），并担保自滋扰不会随着电磁环境的每一次变革而几次再三涌现。换言之，我们须要智能天线。
这种智能天线不仅要能够操控无线电波的明显电子特性（幅度、相位和频率），还要能处理一个额外的维度，即电波极化。一个无线电波实际上是两个场的结合，一个是电场，另一个是磁场——因此构成了“电磁”一词。每个场都在给定的频率上震荡，电场的震荡诱发磁场，反之亦然。这两个场是垂直的，它们在空间的指向办法叫做极化。极化方向不同的电磁波可以相互通过而不会产生滋扰。
本文作者之一（Krishnaswamy）和他的博士生拓尔加•丁克（Tolga Dinc）在一对小巧的天线（4.6吉赫）中利用极化来实现双工，这一对天线一个作为发射器，另一个作为吸收器。我们可以把它们挨着放在一起，由于进出这两条天线的无线电波彼此正交极化，能够有效地实现分隔。但是，这种隔离虽然最大程度地减少了自滋扰，但并未使其完备肃清。因此，我们还在吸收天线中安装了一个使发射天线去极化的端口。该端口提取一小部分发射旗子暗记作为样本，通过滤波器对旗子暗记进行调度，然后将其通报给吸收器端口。结果显示，滋扰肃清结果近乎完美。由于可对该滤波器进行现场编程，因此它可以对回波肃清进行重新配置，以知足不断变革的电磁环境的需求。
我们的原型机能够在300兆赫带宽上实现50分贝的分隔，这意味5个数量级（10万倍）的隔离效果。这一隔离效果是非极化肃清隔离效果的1000倍。即便我们在天线阁下放置一个强反射的金属板来增强自滋扰，也仍旧能够通过重新配置系统，完备实现回波肃清的效果。
我们这种采取回波肃清技能折衷天线设计的方法能够方便地适配30吉赫及更高的频率。在那部分频谱中，波长仅以毫米计量，以是收发天线也很小。
这些高频率对付下一代通信网络来说特殊有上风，由于它们比现有RF供应的带宽宽得多。我们已经支配了一个60吉赫的全双工收发器集成电路，同时采取了我们可配置的极化天线滋扰肃清技能以及RF和数字肃清技能。该装置在1吉赫带宽上实现了近80分贝（10亿倍）的自滋扰抑制，从而在近1米的间隔上实现了天下上第一个毫米波全双工链路。对付毫米波链路来说，这个间隔已经相称难得了，我们正在考虑将其用于各种短间隔运用，例如无线USB连接。
我们的系统可以用于Wi-Fi，也可以用于蜂窝网络。蜂窝网络难度更大一些，由于每一个链路都必须由基站进行细致折衷，可能给不同的用户分配不同的频率，完美方案利用韶光。而Wi-Fi是自由开放的，没有上述限定。此外，蜂窝电话发射间隔可达1千米或更长，但是Wi-Fi的间隔只有几十米，产生的旗子暗记数量更少，功率也低得多，这使回波肃清更加随意马虎。
本文作者之一(Zussman)和他的学生叶连娜•玛拉赛维奇（Jelena Marašević）剖析了在实际芯片上（而不是像其他人那样只在空想化的环境下）运行全双工所带来的益处。他们创造，你不能总是想当然地认为回波肃清是完美的：即便你完成了所有回波肃清事情，仍会有微弱的回波残留，吸收旗子暗记的强度须要远高于残留的微弱回波。
同时，还必须先办理多少问题，然后我们才能宣告完备实现了无线全双工。首先，若想充分利用片上双工紧凑小巧的特点，我们必须构建一个环形器，该器件在发射器和吸收器之间共享一个天线。这并非易事，由于这样的环形器必须是非互易的，即其处理传入旗子暗记和处理传出旗子暗记的方法必须不同。只有这样，一个天线才能同时作为发射器和吸收器。
但是根据旗子暗记传输的方向采取不同方法处理旗子暗记，违反了洛伦兹互易定理这个基本物理法则。幸运的是，这一法则只适用于大多数的材料和系统。铁氧体是一个例外，研究职员多年来确实在利用铁氧系统编制作非互易性环形器。
当电磁波向一个方向移动时，铁氧体材料相对付移动轴顺时针旋转电磁波；而当电磁波向另一个方向移动时，逆时针旋转电磁波。但是，铁氧体环形器无法放置在芯片上，以是我们用了另一种方法——用开关，也便是晶体管来旋转电磁波。
2016年4月，本文作者之一（Krish-naswamy）和他的博士生奈格尔•雷思卡李米安（Negar Reiskarimian）做出了一个利用晶体管来模拟铁氧体功能的非易性环形器。这是第一个在芯片上构建的此类元件，我们把它集成到一个单芯片、全双工的回波肃清吸收器中。结果是实现了单天线全双工。
第二个寻衅是要把我们的自滋扰肃清方法延伸用于多输入多输出（MIMO）收发器上。这种收发器常用于基站中，可以在多个并行流上发射，大大地增加了数据速率。遗憾的是，自滋扰会毁坏每一对发射器和吸收器，如果你想用滤波器来处理每一对收发器，那么繁芜程度将随MIMO元素的数量呈指数增长。这的确是个难题，我们已经有了一些想法，但是仍有很多事情要做。
但即便是现在，我们估量也可以在芯片上利用全双工来改进现有无线系统的关键性能。第一批运用两年之内或许就会涌现，该当会用于短间隔无线链路和系统，例如Wi-Fi，这些设备中，吸收旗子暗记的信噪比常日较高。将这种技能用于自滋扰旗子暗记更强的蜂窝电话则可能要花费5年的韶光。另一个可以受益的运用是固定点到点的微波和毫米波回程与中继，它们是电信网络的骨干。
无线行业的很多大公司都对我们的事情表现出了兴趣，高通等公司乃至已经为我们供应了资金。我们还收到了美国国防部高等研究操持局和美国国家科学基金会的帮助。
通过5年的全力以赴，我们希望将全双工用于小型蜂窝网络。我们相信，终有一天，我们所有的无线设备都能够通过一个天线，在一个芯片内和一个信道上同时实现听说功能。
作者： Harish Krishnaswamy, Gil Zussman
