FD-MU-MIMO：多用户全双工通信解析

引言

收音机如何同时发送和接收？我们将研究这一复杂的现象，您将掌握其要点。我们将探讨多用户全双工通信。我们还将重点介绍主要挑战并演示MIMO解决方案。最后，我们将介绍其应用和优势。

为什么MIMO系统在多用户全双工通信方面表现出色？

MIMO系统是实现此特定功能的最佳选择。这些系统为每个数据流使用多个天线。这种使用极大地增强了多用户全双工通信。经典的双工系统遇到了许多限制。我记得在期的网络设置中工作时，经典的双工是一个持续的瓶颈。相比之下，MIMO技术利用了空间域。

这个过程为用户形成了独立的路径。这个过程被称为空间效率 (Spatial Efficiency)，是系统能与8个或更多用户一起工作的原因。干扰水平要低得多，数据传输也快得多。此功能对5G系统至关重要。

多用户全双工通信的基础知识！

让我们进入基础知识。您将体会到这项技术是如何工作的。

同步TX/RX

这是主要特性。TX表示发送，RX表示接收。在打电话时，一个人可以发出语音，同时接收到对方的语音。旧的双工电报是这方面的一个早期例子。现代系统需要先进的信号处理。另一个重要组成部分是回声消除，它可以阻止您的信号遮挡输入。

最多8个信道

许多系统支持8个信道。这种支持意味着8个用户可以同时传输。这种能力对团队极为有益。这方面的例子包括SA618F30等模块。像消防或电影摄制组这样的复杂场景变得更容易管理。当更多用户可以接收无限信号时，团队合作变得更加顺畅。您是否曾尝试在嘈杂的环境中用延迟的对讲机协调团队？那几乎是不可能的。来自多用户全双工通信设置的即时、同步反馈改变了游戏规则。

FD-MU-MIMO

这个缩写词的意思是全双工多用户MIMO (Full Duplex Multi User MIMO)。您需要理解这个术语的两个方面。那么，什么是全双工通信？“全双工”部分回答了这个问题。这意味着TX和RX同时发生。多用户MIMO意味着许多用户可以同时参与。这对网络来说是一个优势，因为它使带宽和容量增加了一倍。这项技术对5G、物联网系统以及多用户全双工通信的未来非常重要。

HD(半双工)

这部分说明了什么是全双工和半双工通信的范围。HD，即半双工 (Half-Duplex)，是不同的。一个数据流一次只在一个方向上移动。以对讲机为例。您按下一个按钮 (PTT) 才能通话。您不能同时通话和收听。这种方法会导致延迟。更快的通信称为全双工通信。

MIMO技术如何实现FD-MU系统？

MIMO是关键的推动者。这就是各个部分组合在一起的方式。

多天线

MIMO系统使用多个天线，这定义了“多输入多输出”(Multiple-Input Multiple-Output) 系统。老式的无线半双工系统只有一个。天线越多，您能捕捉到的信号就越多。您捕捉到的信号越多，您可以发送的数据就越多。您发送的数据越多，您创建的路径就越多。这个过程对于用户分离至关重要。这种设计也有助于消除自干扰。最少需要两个天线。

波束成形

波束成形是一种智能天线操控技术，可以集中无线信号。它将信号对准特定用户，最好地描述为“聚光灯”。这种技术可以防止信号扩散。它还减少了干扰，这意味着信号更强。范围也更广。在测试中您可以达到6公里到7公里。根据施普林格 (Springer) 的研究人员的说法，信号与泄漏噪声比 (SLNR) 预编码方法是关键，因为它“在性能和复杂性之间实现了更好的权衡。” 这种先进的处理正是使波束成形在现实世界的多用户全双工通信环境中如此有效的原因。

空间域

设备所占据的世界部分就是“空间域”。对于MIMO设备，此域是一个资源空间。它可以通过不同的空间路径在相同频率上发送不同的数据流。这种技术被称为空间复用 (spatial multiplexing)。这提供了连接多个用户的优势，同时降低了信道重叠的风险。这就是8个用户可以同时连接的方式。

5G网络

5G网络使用MIMO系统，使其成为全双工通信的最佳范例之一。5G网络对低延迟的高速度有很高要求。FD-MU-MIMO满足了这一需求，有助于同时为多个设备提供服务，并使物联网成为可能。智慧城市和自动驾驶汽车都得到了这项技术的支持。这种支持反过来又使MIMO系统对于5G网络变得无价。

多用户全双工 (FD-MU) 通信的技术推动者！

多用户全双工通信中的关键挑战！

这项技术虽然具有开创性，但面临一些需要解决的关键问题。

自干扰

SI是列表上的头号问题。您自己的发射器信号声音太大，泄漏到接收器中。这个信号淹没了接收器，使其无法听到。这类似于人们在试图倾听时倾向于大喊大叫。旧的电话双工线圈系统试图解决这个问题。更现代的系统更喜欢SI消除器，它可以将SI降低100 dB。

多用户干扰

多用户干扰 (MUI) 是一种现象，即多播用户由于距离过近而导致其信号受到干扰。这在密闭空间内尤其成问题。他们在一个区域内的信号质量显著下降。这直接影响了他们的数据传输速率。波束成形有助于处理MUI问题。MUI问题也可以通过使用其他多用户技术的排他性来解决。这有助于确保和保持信号清晰度。我们经常在密集的公寓楼中看到这种情况，那里有几十个Wi-Fi信号在争夺同一空间。

同信道干扰

同信道干扰 (CCI) 是指在邻近区域的用户由于使用相同频率信道的信号重叠而造成的干扰。这主要在双工系统通信中观察到。CCI的功能就像一个主要的噪声源，提高了捕获区域的噪声水平。这使得接收微弱信号变得更加困难。这是消费者在日常通信中面临的现象。如果要减轻和消除CCI，必须使用双工频率协调和CCI管理。

信号泄漏

信号泄漏是隐蔽功率的直接和无意的发射。一个用户在信号路径内的泄漏信号会干扰另一用户的信号路径。这在某种程度上降低了信干噪比 (SINR) 水平。这就是对SINR产生影响的因素，信号泄漏也会降低SINR。通过管理未使用的SINR残留干扰和泄漏，可以最大限度地提高用户性能。但是，如何在不牺牲信号功率的情况下实际管理这种泄漏呢？这是工程师面临的核心挑战。

多种优化MIMO的预编码技术！

以下是4种MIMO技术的汇编，它们使用先进的波束成形来解决干扰问题。用户可以使用这四种波束成形技术来优化干扰。

SLNR (提议中)： SLNR表示信号与泄漏噪声比 (Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio)。这是一种仍在改进中的方法。它特别适用于多用户全双工通信。它在两个目标之间取得了平衡。它优化用户的信号。它还最大限度地减少了对其他用户的泄漏。SLNR提供了一种闭式解 (closed-form solution)。它有时优于其他算法。

ZF (迫零)： Zero-Forcing简称ZF。这种预编码方法不太复杂。它试图将MUI（即多用户干扰）强制为零。这在某些双工系统中在一定程度上有用。然而，ZF在一个方面存在缺陷。它没有考虑噪声。在信噪比低的区域，ZF表现不佳。事实上，ZF往往会增强噪声，使其成为稳健的多用户全双工通信的不良选择。

BD (块对角化)： Block-Diagonalization通常称为BD。这是另一种常用方法。而且，它是ZF的扩展。它为拥有多个天线的用户提供了改进。BD完全消除了用户组干扰。然而，基站主要需要一个ZF天线。这往往会增加系统的成本。

PCA (白化)： PCA是主成分分析 (Principal Component Analysis)。它也可以被描述为白化滤波器 (whitening filter)。它主要在接收端使用。这通过改变CCI加噪声矩阵或SI加噪声矩阵来减少干扰。这是一个清洁滤波器。它增强了SLNR预编码器的性能。

多用户全双工通信中的频谱效率！

频谱效率 (Spectral Efficiency) 是用于量化给定系统有用性的术语。它也是最重要的指标。那么，让我们来看看数字。

容量加倍： 在一个系统中，全双工能力可以使频谱效率加倍。与半双工系统相比，这是一个非常重要的性能指标。这是多用户全双工通信的核心优势。

64.4% 的增益： 了解差异的基础和在不同构建系统中所测量的相关增益非常重要。测试表明，在全双工系统中，频谱效率相比半双工系统有64.4%的增益。这是一个巨大的进步。2023年《科学报告》(Scientific Reports) 上的一项研究指出，这种增益“由于新方法克服了维度限制而是可观察到的”。这表明多用户全双工通信的理论前景正在实践中得到满足。

SE 改进 (更多天线)： 系统的频谱效率随着所用天线数量的增加而增加。在这种情况下，随着系统中更多用户和更多天线，增益肯定会增加。

SLNR 表现更优： 在提议的方案中，具有额外天线的 SLNR (信号与泄漏噪声比) 表现最佳。与迫零 (Zero-Forcing) 和块对角化 (Block-Diagonalization) 技术相比，该方法可实现更高的频谱效率。

FD-MIMO的4个实际应用！

在提议的众多系统中，有几个是可以实践的。在这种情况下，让我们看四个。

消防通信

这是最重要的领域之一。压缩的多用户全双工通信是一个非常有用的工具。消防员可以实时相互通信。这对于旧的双工电报通信系统是一个很大的改进。救援人员不仅可以从指挥官那里接收信息，还可以做出回应。这提高了在密闭空间内使用网状网络 (Mesh networking) 的安全性和协调性。

工厂 (工业)

像其他组织环境一样，这些地方也有很多噪音。全双工通信比使用手持收音机（半双工）的旧系统要好得多。这使得工人们可以自由交流，而不受需要按下按钮的限制。这种通信允许对许多过程进行实时纠正。避免了大量事故，从而提高了生产线的产量。还可以为每个系统提供1W的功率，为多用户全双工通信提供强大而有效的信号。

电影制作

电影片场可能相当混乱。导演需要传达信息，摄像团队需要回应。全双工系统使这成为可能。他们使用对讲系统。这有助于消除大喊大叫的需要。此外，它还有助于节省大量时间。例如，16K的采样率有助于提高整体音频清晰度。这对于专业精神非常重要。我们G-NiceRF已经看到我们的全双工音频模块（如SA618F30）正为此目的而被大量采用。清晰度和无延迟至关重要。

5G/物联网

物联网(IoT) 是一个由许多相互关联的设备组成的系统，需要许多互连。5G网络有助于提供所需的速度。FD-MU-MIMO系统提供了所需的容量。这为智能传感器的使用提供了条件。它有助于智能农业以及智慧城市中的设备。这就是我们的LoRa模块发挥作用的地方。它有助于物联网的建设，特别是对于将数据反馈回高速5G网络的远程、低功"应用。

未来：多用户全双工通信中的能源效率！

下一个主要步骤是能源。我们需要使这项技术尽可能高效。

EE

EE表示系统的能源效率 (Energy Efficiency)，我们以 Bit/Hz/Joule 来衡量。这是一个重要的指标。它表示所用能量的多少。目标是减少能源消耗。这对于靠电池运行的设备至关重要。它有助于延长物联网传感器的寿命。

功率模型

了解设备的功耗很重要。这就是功率模型的用途。该模型中包含传输功率 (Tx) 和电路功率。Tx是发送数据所需的功率。电路是运行设备的电路。两个元素都必须优化。这提高了整个系统的效率。

电路功率

电路功率是一个重要因素。它包括静态和动态功率。在全双工中，需要额外的电路来进行SI消除。这个单元比旧电话中使用的更常见的电话双工线圈要复杂得多。所有这些电路都会消耗能量。对先进电路日益增长的需求是开发低功耗电路。这是需要更多关注的领域。

FD >HD

研究还表明，FD可能更好。通过正确的预编码器设计，全双工有可能具有更高的EE。该系统的本质是它发送数据更快，从而提高了整体能源效率。因为完成任务所用的能量更少，所以系统在双工系统的通信中变得更有效率。正如《IEEE Transactions on Signal Processing》所指出的，“全双工多用户MIMO系统的预编码：频谱和能源效率最大化”是下一个前沿。这证明，通过智能设计，多用户全双工通信的更高性能并不一定意味着更高的功耗。

常见问题！

什么是多用户MIMO (MU-MIMO)？

MU-MIMO是多用户多输入多输出 (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)。基站可以同时与多个用户通信。它使用多个天线。这与单用户MIMO不同，后者采用空间复用技术来辨别用户。这对于Wi-Fi 6至关重要，对于5G也至关重要。您明白这与仅为单个用户配备多个天线有何不同吗？

FDD与TDD双工有何不同？

这就回答了什么是全双工和半双工通信。FDD是频分双工 (Frequency Division Duplex)。它分配2个独立的频率。一个用于Tx，一个用于Rx。TDD，时分双工 (Time Division Duplex)，使用1个频率，但分割时间。Tx和Rx交替进行。FDD是全双工，而TDD是半双工。

5G系统中的自干扰是什么？

自干扰 (SI) 是5G的一个大问题。每个全双工收音机都有这个问题。收音机有自己的发射器信号“泄漏”到其接收器中。5G信号功率高，泄漏非常强，比信号强100 dB。这也需要先进的数字消除技术。

LoRa是全双工技术吗？

这是最常被问到的问题之一。不，LoRa不是全双工。它是半双工。LoRaWAN也是如此。设备无法同时发送和接收。这与5G等全双工通信示例不同。然而，一些定制系统可以采用两个模块来复制全双工音频。

什么是莱斯衰落 (Rician Fading) (LOS)？

莱斯衰落是一种信道模型。它解释了信号传输的方式。它有一条主要的直射路径，即视距 (LOS) 路径。它还有几条较弱的路径。这些是漫射路径。这在开阔空间中很典型。此模型不同于瑞利衰落 (Rayleigh fading)。瑞利衰落没有直接的LOS路径。

MIMO系统在解决困难的干扰问题的同时，还提高了系统的速度。您学习了预编码方法，并看到了多小区全双工系统。这项技术是低功耗的。准备好构建您的系统了吗？请在G-NiceRF为您的多用户全双工通信需求寻找专业的射频解决方案。