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.

Aufgabe

© Fraunhofer FKIE
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.