Ein-Antennen In-Band Full-Duplex Radio

Echtes simultanes Full-Duplex für das zeitgleiche Senden und Empfangen von Funksignalen

Nahezu alle drahtlosen Systemtechnologien nutzen die knappe Ressource Frequenzspektrum zur Erfüllung von zwei i. d. R. bidirektionalen Aufgaben. Dies sind bspw. in der kooperativen Kommunikation das Senden und Empfangen und in der nicht-kooperativen Kommunikation das Aufklären und Stören. Ähnlich wie es einem Menschen schwerfällt, dem leisen Flüstern eines weit entfernten Gesprächspartners zu folgen, während man diesem gleichzeitig selbst laut etwas zuruft, stellt auch bei den drahtlosen Systemtechnologien das wirklich gleichzeitige Erfüllen beider Aufgaben die Entwickler vor große Herausforderungen. Lange Zeit galt dies sogar als technisch unmöglich.

Klassische Lösungsansätze sehen daher eine strikte Separation der beiden Aufgaben an der Antenne vor, auch wenn sie auf diese Weise vom Nutzer als gleichzeitig erfüllt wahrgenommen werden. Eigentlich verhält es sich jedoch so, dass die beiden Aufgaben an der Antenne z. B. entweder im zeitlichen Wechsel abgearbeitet werden (Zeitmultiplex) und/oder dass für jede Aufgabe eine eigene Frequenz genutzt wird (Frequenzmultiplex).

Ganz offensichtlich ließe sich die knappe Ressource Frequenzspektrum jedoch deutlicher effizienter nutzen (mindestens Faktor 2), wenn eine echte Gleichzeitigkeit bei der Erfüllung beider Aufgaben auch an der Antenne der drahtlosen Systemtechnologien möglich wäre. Praktikable Lösungen für diese Herausforderung werden nicht zuletzt aufgrund der in allen Lebensbereichen weiter voranschreitenden Digitalisierung und dem mit ihr einhergehenden steigenden Bedarf, stetig mehr Daten über drahtlose Systemtechnologien auszutauschen, immer wichtiger.

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Abb. 1: Störende Eigeninterferenz-Komponenten in einem drahtlosen Kommunikationssystem

Die wesentliche wissenschaftliche Herausforderung, die eine echt gleichzeitige Erfüllung von zwei bidirektionalen Aufgaben an einer Antenne mitbringt, illustriert Abbildung 1.  

Die Abbildung illustriert zwei Kommunikationssysteme. Die Signalverarbeitung im Sendepfad wird im jeweils oberen Bereich und diejenige im Empfangspfad im jeweils unteren Bereich angezeigt. Teile der Signalverarbeitung finden i. d. R. in der digitalen (jeweils außen von der gestrichelten Linie) und weitere Teile in der analogen Domäne (jeweils innerhalb) statt. In beiden Kommunikationssystemen werden die Signalverarbeitungspfade mittels eines sog. Zirkulators vereint und münden jeweils an ein und derselben Antenne.

Die Sendesignale werden von den Antennen abgestrahlt und echt zeitgleich soll das Signal des jeweiligen Kommunikationspartners empfangen werden.

Aufgrund der typischen ausbreitungsbedingten Dämpfung wird das Empfangssignal nur sehr schwach empfangen. Gleichzeitig treten diverse störende Eigeninterferenzkomponenten auf, die sich im Empfangspfad dem schwachen Empfangssignal überlagern. Diese Eigeninterferenzen sind i. d. R. nicht nur leistungsmäßig deutlich stärker als das eigentlich gewünschte Empfangssignal, sondern sie beinhalten zudem eine Vielzahl an linearen und nicht-linearen Verzerrungen. Aufgrund all dessen galt es lange Zeit als technisch unmöglich, das schwache, aber gewünschte Empfangssignal aus dem gestörten Signalgemisch insoweit zu extrahieren, dass eine fehlerfreie Empfangssignalverarbeitung möglich ist.

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Abb. 2: Analoge (AC) und Digitale (DC) Vorkehrungen zur Kompensation der störenden Eigeninterferenz

In der Literatur wurden in den vergangenen Jahren sehr vielversprechende Ansätze vorgestellt, die das Potenzial haben, zu einer technischen Lösung zu führen. Diese Ansätze basieren i. d. R. auf einem zweistufigen Verfahren zur Kompensation der störenden Eigeninterferenzkomponenten.

Die erste Stufe hat aufgrund der stark unterschiedlichen Leistungspegel des störenden Eigeninterferenzsignals und des schwachen gewünschten Empfangssignals bereits in der analogen Domäne zu erfolgen. Für die analoge Kompensation wurde die Entwicklung eines Schaltungsnetzwerks noch in der Trägerfrequenzlage vorgeschlagen, welches aus einem Raster an Verzögerungsleitungen mit jeweils digital ansteuerbaren Dämpfungsgliedern besteht. In Abbildung 2 ist die Position der analogen Kompensationsschaltung inklusive der digitalen Ansteuerung der Dämpfungsglieder in Grün eingezeichnet.

Die nach der analogen Kompensation im Signalgemisch des Empfangspfades noch verbleibenden störenden Eigeninterferenzkomponenten können schließlich durch geeignete Signalverarbeitungsalgorithmen in der digitalen Domäne weiter reduziert werden. Die Position der digitalen Kompensationssoftware ist in Abbildung 2 in Hellgrün illustriert.

Mit beiden Kompensationsstufen lässt sich das ursprüngliche Eigeninterferenzsignal soweit reduzieren, dass das schwache, gewünschte Empfangssignal aus dem gestörten Signalgemisch insoweit extrahiert werden kann, dass eine fehlerfreie Empfangssignalverarbeitung möglich ist.

Drahtlose Systemtechnologien, die es erlauben, dank derartiger Vorkehrungen die knappe Ressource Frequenzspektrum zur Erfüllung von zwei i. d. R. bidirektionalen Aufgaben zu nutzen, werden in der Literatur als »Full-Duplex« (FD) und/oder »Same Frequency – Simultaneous Transmit And Receive« (SF-STAR) Technologien bezeichnet.

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Abb.3: Schaltung für die analoge Kompensation der Eigeninterferenzen im 2.4 GHz Frequenzband
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Abb. 4: Experimentalsystem beim FKIE-Technologieforum 2018

In den vergangenen Jahren ist am Fraunhofer FKIE ein Technologie-Demonstrator entstanden, der es erlaubt, die in der Literatur versprochenen Möglichkeiten nachzuweisen und live vorzuführen. Hierzu wurde ein komplettes drahtloses Kommunikationssystem auf Basis der Software Defined Radio (SDR)-Technologie aufgebaut. Während die SDRs sowie weitere Bauteile wie die Zirkulatoren und Antennen sog. Commercial off-the-shelf (COTS)-Komponenten sind, handelt es sich sowohl bei der gesamten Software als auch bei der analogen Kompensationsschaltung um Eigenentwicklungen.  

Abbildung 3 zeigt die entstandene analoge Kompensationsschaltung, die speziell für das 2.4 GHz-Frequenzband und ca. 100 mW-Sendeleistungen entwickelt wurde, sowie zwei weitere Platinen, die in der Entwicklung zur Vermessung von Bauteilen dienen.

Im Rahmen des FKIE-Technologieforums 2018 wurde der Demonstrator erstmals einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Der Fokus der Demonstration lag dabei auf der echt zeitgleichen bidirektionalen Kommunikation auf ein und derselben Frequenz zwischen zwei Teilnehmern. Der Aufbau des FKIE-Technologieforums 2018 ist in Abbildung 4 gezeigt.

Seit diesen ersten Erfolgen befassen sich alle weiteren Forschungstätigkeiten in diesem Themenkomplex mit wissenschaftlichen Fragestellungen, die der Steigerung der Relevanz für praktische Einsätze, insbesondere in Anwendungsfeldern der Verteidigung und Sicherheit, dienen. So soll die Technologie an Reife bzgl. Aspekten wie Mobilität (schnelle Adaptation bei Bewegung), Frequenzagilität (niedrige VUHF-Bereiche unter 500 MHz), Sendeleistung (mehrere Watt), Mehrknoten-Netzwerken (Relaying) etc. gewinnen.