同频同时全双工新理论和技术研究

The concept of Co-frequency and Co-time Full Duplex (CCFD) was, first, introduced, to the best knowledge of the authors, by the researchers in Peking University in 2006. The item of “CCFD” has been formally accepted by Next Generation Mobile Network Alliance (NGMN) . In contrast to the conventional Full Duplex (FD), a node of CCFD transmits and receives two independent data streams in manner of same frequency band and same time, while the FD relays one on data steam. Thus, the former can increase spectral efficiency of FDD or TDD by factor of 2, but the latter. . The purpose of this project is to introduce a new method into CCFD for promoting the application value and level of the theoretical study, and providing the fundamental basis and technical solution to the future application and network organization. The project will be commissioned in following aspects; (1) studying the combination of CCFD and spatial modulation (SM) forming SMFD technique and its theory, especially on the capacity behaviors that beyond MIMO. (2) presenting the concept of general SMFD, based on which we will study the effects of self-interference and interference, as well, for trading off between the local- and universal optimization, (3) Combining CCFD with physical layer security and studying the security capacity based on the summation of data rates of CCFD and (4) studying the structure of cloud computing in supporting the CCFD network implementation. . The project work includes presenting new research topics, searching new method, setting up new theoretical model and analyzing key factor. Finally, a cloud platform will be constructed for verifying the obtained theoretical results and providing solid data to show the application prospects.

北大首次提出了同频同时全双工（2006）概念，并为下一代移动通信网联盟所接受。 对比原始中继转发全双工（1997）, 前者在同一频点和同一时隙上收发两个独立的信息流，故可以提高频谱效率，而后者则不具备这一能力。.本课题目标是，为该技术未来应用和组网提供理论依据和解决方案。 整体研究分解为如下4个子课题： （1）将空域调制方法融入同频同时全双工，形成空域调制全双工的系统和理论，深入研究超越MIMO容量问题，（2）提出广义空域调制全双工概念，研究组网中自干扰和互干扰问题，研究网络局部优化和全局优化平衡问题，(3) 提出同频同时全双工与物理层安全结合的题目，研究全双工合速率与安全容量的关系，（4）研究计算机云平台与课题结合的组网系统。 .课题沿着提出新题目、寻求新方法及建立理论模型的思路，分析关键因素及关键问题，并最终搭建硬件平台，采用实验测试方法验证理论结果和分析应用前景。

由于频谱资源的日益匮乏，提高频谱效率是无线通信长期以来的研究目标。无线通信全双工技术（Full Duplex）源于1997年无线中继专利，至2006年，北京大学率先提出了全双工双向通信的发明，该发明名称为同频同时全双技术（Co-Frequency Co-Time: CCFD）。比较而言，前者的功能是信号的转发放大，不具备提高频谱效率的功能。而后者提出了双向独立信号在同一频段同一时隙通信的方法，被认为是将频谱效率加倍的技术。国际上对同频同时全双工技术的广泛兴趣源于2010年斯坦福大学的SCFD实验演示。.本项目是国家自然科学基金重点项目，执行期间为2016年-2020年。该项目主要研究如下4个子课题：（1）同频同时全双工与空域调制相结合，目的是研究其通信容量；（2）研究广义空域调制全双工概念，由此寻找移动通信组网方法；（3）研究同频同时全双工与物理层安全结合，寻找安全通信的方法；（4）研究计算机云平台与同频同时全双工结合的组网系统。.在项目开展期间，累计发表期刊会议文章21篇，申请发明专利17项，培养博士生5人，硕士生10人。在该项目支持下，“同频同时全双工双向通信技术发明”项目获得中国通信学会科学技术奖一等奖。历经4年的研究时间，研究团队取得了如下创新型结果： .1.提出一种CCFD与空间调制结合的新方法，在outage capacity 上发现超过MIMO的现象，成果发表在IEEE Communications Letters上。.2.提出一种CCFD的大范围组网解决方案，该方法将CCFD与MIMO结合，成功抑制了上行干扰。项目实际开发了一个由两个蜂窝小区组成CCFD组网系统，在20米x20米环境下成功实现了双向的视频流，相关成果发表在IEEE Wireless Communications。.3.项目将同频同时全双工技术应用于通信物理层安全，提出一种通过向电话线中释放噪声以达到保密通信的有线电话系统，成果发表在IEEE Communications Letters。.4.项目实现了两蜂窝小区CCFD组网系统，系统通过了泰尔实验室的测试，并于2017年在NGMN (Next Generation Mobile Networks) 会议上进行了演示。.5.项目与某公司合作，把CCFD推进成为5G标准中work item。