Digitale Kommunikationssysteme


Vollduplex-Kommunikation


Die Kommunikation im Vollduplexbetrieb (IBFD, in-band full-duplex) ermöglicht es, gleichzeitig auf dem gleichen Frequenzband zu senden und zu empfangen. Mit dieser IBFD-Technologie kann prinzipiell die spektrale Effizienz (Bits pro Sek. und Hz) verdoppelt werden, ohne dass ein zusätzlicher Bedarf an Bandbreite entsteht. In zukünftigen Kommunikationsstandards wie 5G werden die Anforderungen an die Datenrate erheblich ansteigen. Daher wird eine Neuentwickelung von Kommunikationssystemen benötigt, wobei die Vollduplex-Kommunikation als ein aussichtsreicher Kandidat gilt. IBFD kann auch Verbesserungen in höheren Protokollschichten nach sich ziehen. Das Auftreten von Kollisionen kann besser vermieden oder auch zusätzliche Optionen wie ein sofortiger Rückkanal ermöglicht werden. Es wird erwartet, dass zukünftige Standards auch höhere Anforderungen an die erlaubten Latenzzeiten stellen. Auch hier bietet IBFD das Potenzial zu Verbesserungen.


Pressemitteilungen

Al­ter­na­ti­ve im Mo­bil­funk 25.03.2015


Theoretische Forschung

Der Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme besitzt eine langjährige Erfahrung im Umgang mit Systemmodellen, die Vollduplexsysteme einschließen. Die Vorteile von Vollduplex-Betrieb wurden in vielen Szenarien wie Zweiwegekommunikation oder Netzwerken mit Mehrwege-Informationsfluss analysiert, insbesondere mithilfe von informationstheoretischen Methoden. Dabei konnte gezeigt werden, dass erhebliche Gewinne beim Datendurchsatz erzielt werden können.
Konkret wurden untere und obere Schranken der Kapazität für den Zweigekanal mit Zwischenstation (relay) hergeleitet. Hier wurde außerdem untersucht, welchen Einfluss der Einsatz eines Vollduplexsystems haben kann. Unter der Voraussetzung, dass die Selbstinterferenz vollständig entfernt werden kann, erreicht eine einfache Übertragungsstrategie (quantize-and-forward) die Kapazitätsgrenze innerhalb von 3 Bit. Dieses Ergebnis konnte auf andere Szenarien mit Mehrwege-Informationsfluss und auch MIMO-Kanäle erweitert werden. In einer weiteren Arbeit wurden optimale Ressourcenallokation und Strahlformung (beamforming) untersucht. Es konnte dabei aufgezeigt werden, dass eine gemeinsame Optimierung über die Eigenmodi des MIMO-Kanals erforderlich wird.

 


Praktische Forschung

Für die praktische Evaluierung wurde ein Prototyp eines Vollduplexsystems basierend auf USRP-Geräten im Labor des Lehrstuhls aufgebaut. Dieser Testaufbau kann dabei helfen, die gewonnenen theoretischen Ergebnisse zu verifizieren.

 

 

Eine Herausforderung in IBFD-Systemen ist die Selbstinterferenz, die um viele Größenordnungen höher ausfallen kann als das eigentliche Empfangssignal. Im elektronischen Schaltungen können Effekte wie Phasenrauschen oder Nichtlinearitäten die Struktur einfallender oder gesendeter Signale verändern, sodass die Auslöschung von eigentlich "bekannter" Selbstinterferenz keine leichte Aufgabe mehr ist.

Verschiedene Aufbauten wurden bereits in der neueren Forschung vorgestellt, wobei der Schlüssel zu einem erfolgreichen Vollduplex-Betrieb darin besteht, in dem kombinierten Einsatz mehrerer Methoden die Selbstinterferenz auszulöschen. Die wichtigsten Methoden sind dabei 

  • Passive Unterdrückung
  • Aktive Auslöschung im Analogbereich
  • Auslöschung im Digitalbereich 

Bei der passiven Unterdrückung wird hauptsächlich die Isolation zwischen Sender und Empfänger auf Schaltungsebene erhöht. Die aktive Auslöschung im Analogbereich entfernt die Selbstinterferenz durch Subtraktion mit einem weiteren Signal, wobei dafür zusätzliche Leistung benötigt wird. Im Digitalbereich kann schließlich mit digitaler Signalverarbeitung der verbliebene Rest an Selbstinterferenz beseitigt werden.

Das Testbed im Labor des Lehrstuhls umfasst alle drei Stufen.

 

Der Prototyp kann erfolgreich Vollduplex-Kommunikation mithilfe des OFDM-Verfahrens durchführen, wobei die physikalische Schicht auf dem IEEE-Standard 802.11 basiert.


Lehre

Aktuelle Entwicklungen im Bereich IBFD sind Thema in der Vorlesung "Internet of Things" im SS 2015.

Link zur Website der Vorlesung


Abschlussarbeiten

Miguel Fernández Linares: Implementation of a Full-Duplex transceiver using Software-defined radio devices, Masterarbeit, 2015


Relevante Arbeiten

A. Sabharwal, P. Schniter, D. Guo, D. W. Bliss, S. Rangarajan, and R. Wichman, “In-band Full-duplex Wireless: Challenges and Opportunities,” arXiv preprint arXiv:1311.0456, 2013.

D. Bharadia and S. Katti, “Full Duplex MIMO Radios,” in Proceedings of the 11th USENIX Conference on Networked Systems Design and Implementation, ser. NSDI’14, 2014, pp. 359–372.

E. Everett, A. Sahai, and A. Sabharwal, “Passive Self-Interference Suppression for Full-Duplex Infrastructure Nodes,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 2, pp. 680–694, February 2014.

D. Korpi, T. Riihonen, V. Syrjala, L. Anttila, M. Valkama, and R. Wichman, “Full-Duplex Transceiver System Calculations: Analysis of ADC and Linearity Challenges,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 7, pp. 3821–3836, July 2014.

 

Our contributions


Author / Editor / Organization Titel Year Download / Bibtex
2017
1 A. Kariminezhad , A. Sezgin , Marius Pesavento Power Efficiency of Improper Signaling in MIMO Full-Duplex Relaying for K-User Interference Networks Download
BibTeX
2 A. Kariminezhad , S. Gherekhloo , A. Sezgin Full-Duplex vs. Half-Duplex: Delivery-Time Optimization in Cellular Downlink Download
BibTeX
3 A. Kariminezhad , Amr Elbassiouni , A. Sezgin Pareto Boundary for Massive-MIMO-Relay-Assisted Interference Networks: Half-duplex vs. Full-duplex Processing Download
BibTeX
2015
1 A. Chaaban , A. Sezgin Device-Relaying in Cellular D2D Networks: A Fairness Perspective Link
BibTeX
2013
1 A. Chaaban , A. Sezgin , A. S. Avestimehr Approximate Sum Capacity of the Y-Channel Link
BibTeX
2 A. Chaaban , A. Sezgin , D. Tuninetti Achieving Net Feedback Gain in the Linear-Deterministic Butterfly Network with a Full-Duplex Relay Link
BibTeX
2011
1 A. Sezgin , A. S. Avestimehr , M. Amin Khajehnejad , Babak Hassibi Divide-and-conquer: Approaching the capacity of the two-pair bidirectional Gaussian relay network Download
BibTeX
2010
1 A. Sezgin , H. Boche , S. Avestimehr Bidirectional multi-pair network with a MIMO relay: Beamforming strategies and lack of duality Download
BibTeX
2 A. S. Avestimehr , A. Sezgin , D. Tse Capacity of the two-way relay channel within a constant gap Link
BibTeX