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

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.

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.