序言

本书是基于作者对无线通信理论和技术的长期研究及对同频同时全双工（Co-frequency Co-time Full Duplex, CCFD）发明的思考而写，希望通过它提升读者对CCFD的兴趣，并有助于工程实现。本书从物理概念出发，结合必要的数学公式描述了技术、应用和一些解决方法，同时描述了系统结构和面临的挑战，适合具有无线通信基础知识的研究生和相关领域的工程师阅读。

无线通信发展史展示了人类以电磁波为载体扩展其信息传输能力的历程。早期的移动通信系统专注于语音服务，它把人们面对面的对话以惊人的光速（接近30万千米每秒的速度）传输至千里之外。随后的发展进一步推广到数据和多媒体通信业务，极大地丰富了通信内容和形式，推动了文明社会的发展。为此，让我们感谢那些伟大的电磁学奠基者、无线通信技术发明者及工程技术人员，感谢大自然赋予的宝贵电磁波频谱资源。

基础电磁学研究表明，不同频段电磁波传播经历不同介质的穿透性、绕射和反射特性差异很大。因此，它们适合应用的场景不同。例如：30～40 MHz频段在等离子层上具有良好的反射特性，它被用于称为“天波”的远程通信，其通信距离可达上万千米；6 GHz以下频段的电磁波对建筑物有较好的绕射性和穿透性，它适用于蜂窝移动通信系统；2 GHz以上频段对等离子层具有良好的穿透性能，它适用于卫星通信。

自1899年马可尼（Maconi）发明陆地与英吉利海峡上船只的无线通信设备以来，无线通信技术蓬勃发展、层出不穷，它们的工程实现使得当今的无线通信覆盖了地球上几乎所有城市乡村。然而，随着通信业务迅猛发展，各个频段频谱资源呈现出日益匮乏的现象，并已经成为未来发展最主要制约因素之一。

因为无法用开疆扩土的方法获得更多频谱资源，所以提高频谱效率是解决问题的唯一途径。实际上，世界上无线通信研究始终以提高频谱效率为核心，并兼顾技术实现成本。在经历了大量研究和技术不断完善后的今天，值得庆幸的是，传统无线通信系统的双工方法中仍然蕴藏提高频谱效率的宝贵机会。

这里简单回顾一下从单工系统发展为双工系统的过程：早先的对讲机系统在收听对方语音时，不允许听者同时跟对方讲话，这是因为听者讲话发射的信号会阻碍收听对方的语音信号。这里定义，发射信号与接收信号不能在同一时间上完成的双向信息交互系统为单工系统。其本质上，单工系统是为了防止节点发射机对接收机的干扰。其技术手段是利用时间分离发射信号对节点接收机的干扰。

而频分双工（Frequency Division Duplex，fDD）通信系统解决了同时双向通信的问题。为了防止上述发射机对接收机的干扰，它将发射机信号和接收机信号设置在两个不同的频点上。一个频点用于信号发射，另一个用于信号接收。在这种设置下，节点接收机利用滤波器滤除了发射机信号的干扰。

另一种传统方法是时分双工（Time Division Duplex, TDD）通信系统，它把发射机和接收机信号设置在不同的时隙上，在时间上将将它们分离。本质上讲，该方法借用了单工对讲机隔离干扰的方法，其差别在于发射和接收时隙的切换速率足够高，并结合编码的方法，使得用户无法察觉到语音的断续。

值得注意的是，FDD/TDD系统采用频率/时间资源隔离发射机对接收机的干扰，实质上各自占用了两份频率/时间资源用以实现双工服务。

一个新奇的想法是，用消除发射机信号的方法取代上述干扰隔离的方法：把发射机和接收机设置在同一个频点和同一个时隙上，而在接收机处消除发射机的干扰。据此将FDD/TDD的频率/时隙资源合并为一个，而效率提升一倍，这就催生了CCFD。学术上把CCFD通信节点定义为：发射和接收信号在频率和时间重合的通信节点，并把发射机信号称为自干扰（Self-Interference, SI）。如何消除SI是系统获得频谱效率增益最关键的因素。

CCFD可实现的基础是：①两列传播方向相反的电磁波是透明传输的，它们之间的干扰实际出现在节点接收机上；②SI对CCFD接收机而言是一个已知的干扰，理论上可以完全消除。

CCFD工程实现的挑战在于，SI功率通常远远高于节点接收的通信信号功率（大约大于100 dB）。消除如此强大的SI是十分困难的。正是这个原因，当该技术在提出时，并未引起广泛关注。但是它缓慢地进入3GPP的研究项目。直至2019年R18（3GPP Release 18）中子带全双工标准提案之后，工业界开始致力于它在系统中的实现。

一般而言，利用CCFD取代移动通信FDD/TDD系统面临诸多技术挑战，使得其进一步推进仍然困难重重。根据作者的判断，最早成功应用的CCFD的将是点对点通信系统随后进入它的组网阶段。目前最适合发挥CCFD优势的应用环境是民航飞机和卫星通信系统中的空中/空间与地面的双向通信，其中使用高增益天线形成的波束将简化SI消除的难度。

本书将围绕SI消除/抑制的一般问题展开讨论，并描述各种场景下实现CCFD的方法。第一章描述了传统双工系统（FDD和TDD）的特点，它显示两种传统系统克服SI的方法，并明晰了半双工的概念；第二章简述了关于CCFD发明的由来、频谱效率增益问题，以及实现双向通信的困难根源；第三章至第五章描述了SI消除方法和简单系统应用；第六章描述组网方法和相关研究；第七章前瞻性地讨论了CCFD低轨卫星设计；第八章介绍了在物理层安全中的应用。

本书很多内容基于作者所承担项目的研究成果，为此感谢如下项目的支持：

国家重点研发计划课题“可信自主的全域接入管控技术”（课题编号：2020YFB1807802）；

国家重点研发计划课题“宽带可重构基带与系统”（课题编号：2018YFB2202202）；

国家自然科学基金重点项目“同频同时全双工新理论和技术研究”（课题编号：6153000075）；

国家自然科学基金面上项目“同频同时全双工非平稳随机过程中有限码长理论和应用研究”（课题编号：62171006）；

北京市自然科学基金海淀原始创新联合基金资助项目“基于5G全双工Wi-Fi系统的医疗情景感知的研究”（课题编号：L172010）。

作者感谢如下为本书长期从事CCFD的北京大学同事：马猛、周子健、李斗、段晓辉、王涛等老师，及本实验室学生：李文瑶、王晨博、郑东升、魏来、林立峰、张荣庆、崔宏宇、刘三军、陈颖玚、杨玉丽等同学，及长期的合作者William Y.Clee, Vicent Poor, Russell Hsing和樊明延。作者还感谢清华大学李云州和扈俊刚在CCFD组网工作中的贡献。

本书的出版得到国家重点研发计划课题（课题编号：2020YFB1807802）的经费资助，作者在此表示衷心感谢。

焦秉立
2023年初秋于燕园