Полнодуплексная связь: технические принципы, режимы и системный анализ

1. Основное определение полного дуплекса

1.1 Что такое полнодуплексная связь?

Полнодуплексная связь (FDX) похожа на личную беседу — обе стороны могут говорить и слушать одновременно, не дожидаясь, пока другая закончит.

Мы действительно сталкиваемся с технологией полнодуплексной связи каждый день. Самый классический пример — телефонный звонок: его можно прервать в любой момент, в отличие от рации, где нужно говорить «приём». Современные проводные сети, программы для видеоконференций и даже онлайн-игры полагаются на полнодуплексную связь  для обеспечения бесперебойного взаимодействия в режиме реального времени. Без преувеличения, её можно назвать краеугольным камнем современной коммуникации.

Чтобы лучше понять полнодуплексный режим, давайте рассмотрим два других режима связи: симплексный и полудуплексный.

1.2 Разница между симплексом, полудуплексом и полным дуплексом

Симплекс, полудуплекс и полный дуплекс можно представить как три различных способа общения.

• Симплекс : это как слушать радио или смотреть новости по телевизору. Сигнал идёт только от станции к вам; вы не можете отвечать. Этот путь — строго «улица с односторонним движением».

• Полудуплекс : это похоже на использование рации. Вы можете говорить друг с другом, но не одновременно. Нужно нажать кнопку, чтобы говорить, и отпустить, чтобы слушать. Хотя это двусторонняя связь, канал связи общий, поэтому вам придётся говорить по очереди.

• Полный дуплекс : это как наши обычные телефонные звонки: вы можете говорить и слушать одновременно, как и ваш собеседник. Таким образом, один и тот же канал фактически становится двумя независимыми полосами, позволяя данным передаваться в обоих направлениях одновременно, что, естественно, удваивает эффективность. Именно это делает полный дуплекс таким эффективным.

Выбор режима «чата» определяется правилом, установленным на самом нижнем уровне коммуникации (физическом уровне). Поэтому режим устройства — может ли оно «общаться одновременно» или должно «общаться по очереди» — фиксируется при выпуске с завода.

1.3 Полудуплекс против полного дуплекса против симплекса

2. Как работает полный дуплекс

Чтобы добиться полного дуплекса (одновременного разговора и прослушивания), устройство должно решить одну проблему: «самопомехи».

Что такое самоинтерференция?

Проще говоря, проблема заключается в следующем: вы не можете «кричать в мегафон» (передавать сигнал) и одновременно ожидать «услышать падение булавки» (получить сигнал).

• Насколько серьёзна проблема?  Собственный «крик» устройства (передача, TX) может быть в 10 миллиардов раз сильнее  (технически 100 дБ), чем слабый сигнал, который оно пытается «услышать» (принять, RX).

• Что же в результате?  Без какой-либо обработки этот мощный «крик» полностью «заглушит»  слабый «слуховой» сигнал, и услышать что-либо будет невозможно.

Поэтому решение  состоит в эффективной изоляции сигналов «крика» (TX) и «слушания» (RX).

Чтобы решить эту проблему, инженеры в первую очередь используют два хитроумных метода «изоляции» сигналов, гарантируя, что разговор и прослушивание не будут мешать друг другу:

1. Раздельные «полосы» (FDD — дуплексная связь с частотным разделением):  это похоже на строительство совершенно отдельной надземной магистрали для передачи и приема; они общаются на разных частотах.

2. Раздельные «временные интервалы» (TDD — дуплекс с временным разделением):  передача и приём осуществляются по одной и той же дороге, но строго по сигналу светофора. Система переключается между режимами «разговора» и «слушания» с такой скоростью (незаметной для человека), что это кажется одновременным.

В следующих двух разделах, 2.1 и 2.2, будет подробно описано, как реализуются эти две технологии.

2.1 Разделение каналов: дуплекс с частотным разделением (FDD)

FDD использует самый прямой метод предотвращения самопомех: два независимых частотных канала , один из которых предназначен для «разговора» (передачи), а другой — для «прослушивания» (приёма). Между этими двумя частотными каналами также существует « защитная полоса » — своего рода разделитель на автомагистрали, гарантирующая отсутствие помех между сигналами, что является ключевым требованием для полнодуплексной связи .

Основной компонент: дуплексер

Ранние мобильные телефоны, как правило, имели только одну антенну  , но им требовалось одновременно обрабатывать сигналы «разговора» и «приёма». Ключевым компонентом, решающим эту проблему, является дуплексер . Он обычно подключается к общему порту антенны устройства .

Это пассивная комбинация частотных фильтров  , интеллектуальность которой заключается в ее способности точно контролировать поток сигнала в обоих направлениях одновременно:

• Он направляет мощный передаваемый сигнал  (от «мегафона») только на антенну .

• Он направляет слабый принимаемый сигнал  (от «антенны») только на приемник .

Таким образом, обеспечивается, что передаваемый сигнал (от «мегафона») не «просачивается» и не «заглушает» чувствительный приемник («ухо»).

Преимущества : поскольку передающий и принимающий устройства используют собственные выделенные, всегда открытые каналы, задержка передачи данных очень низкая и стабильная . Это идеально подходит для приложений, требующих немедленного ответа, таких как телефонные звонки и видеоконференции.

Недостатки : необходимо занимать два отдельных частотных диапазона , что удваивает стоимость из-за дефицитных спектральных ресурсов. Во-вторых, дуплексер  увеличивает габариты устройства.

2.2 Разделение каналов: дуплекс с временным разделением (TDD)

Технология TDD ( дуплексная связь с временным разделением ) использует другой подход к полнодуплексной связи . Она позволяет «говорить» (передавать) и «слушать» (принимать) использовать один и тот же частотный канал , но строго чередуя их во времени . Система переключается с высокой скоростью между «временными интервалами передачи» и «временными интервалами приёма», разделёнными коротким «защитным интервалом».

Основными компонентами метода TDD являются сверхбыстрый радиочастотный коммутатор  и высокоточный синхронизированный тактовый генератор . Этот коммутатор отвечает за физическое переключение антенного соединения между передающим (TX) и приёмным (RX) контурами, подобно светофору с чрезвычайно высокой чувствительностью.

Главное преимущество TDD  — высокая спектральная эффективность , поскольку он занимает всего один канал (для FDD требуется два). Кроме того, он гибок, позволяя динамически распределять полосу пропускания  (например, 70% времени на загрузку, 30% на отправку). Однако его недостатки  также очевидны: постоянное переключение вносит небольшую задержку . Что ещё важнее, TDD требует точной синхронизации по времени во всей сети  (часто с помощью GPS), чтобы гарантировать, что «говорящее» устройство не будет конфликтовать с «слушающим» другим и не будет создавать помех.

2.3 Основная техническая задача: подавление собственных помех и эхокомпенсация

FDD и TDD недостаточно для достижения полноценной полнодуплексной связи . Поскольку собственный сигнал передачи (TX) устройства настолько мощный, даже при базовой изоляции от FDD (дуплексера) или TDD (временной коммутации), часть сигнала всё равно будет «просачиваться» в чувствительный приёмный тракт (RX). Эти остаточные внутренние помехи всё ещё достаточно сильны, чтобы «заглушить» тот слабый сигнал, который вы хотите принять.

Поэтому инженеры используют методы «шумоподавления», чтобы устранить эти «просачивающиеся» помехи в трех областях:

• Область распространения  (физическая изоляция): Это похоже на размещение «мегафона» (передающей антенны) и «микрофона» (приемной антенны) на большом расстоянии друг от друга и в разных направлениях, что обеспечивает первоначальное физическое снижение помех.

• В области радиочастот  (аналоговое подавление): это похоже на использование «шумоподавляющих наушников». Система сэмплирует собственный «крик», а затем создаёт идентичный, но инвертированный по фазе «антишумовой» сигнал, чтобы подавить его до того, как сигнал попадёт в усилитель.

• Область основной полосы  (цифровое подавление): это «окончательная очистка». Система использует компьютерные алгоритмы для математического «вычитания» последнего бита остаточного «эха» (включая искажения) из полученных данных после первых двух этапов.

Современная система полнодуплексной связи  будет использовать все три технологии одновременно, обеспечивая эффективную и надежную «синхронизацию и прослушивание».

3. Применение и примеры полнодуплексных систем

Технология полнодуплексной связи  является основой практически всей современной инфраструктуры связи.

3.1 Классические примеры и приложения полного дуплекса

Самый классический пример — телефон . Будь то старый стационарный телефон или современный смартфон, оба варианта позволяют собеседникам одновременно говорить и слушать, что и является определением полнодуплексной связи .

Использование полного дуплекса в компьютерных сетях  (например, Ethernet) также является ярким примером. Ранние «совместные» сети (на основе концентратора) были похожи на рацию: все участники использовали один канал и говорили по очереди (полудуплекс). Современные сети (на основе коммутатора) , однако, создают выделенный канал для каждого компьютера, подобно частной телефонной линии, что позволяет одновременно отправлять и получать данные (полный дуплекс), что значительно увеличивает скорость сети.

Кроме того, мобильные сети 4G и 5G  также гибко используют технологию полнодуплексной связи  . Они разумно выбирают схему FDD (более стабильную, с низкой задержкой) или TDD (более эффективное использование спектра) для достижения высокоскоростной передачи данных, исходя из доступных спектральных ресурсов и политик.

3.2 Полнодуплексный режим на практике: беспроводные модули

Профессиональные беспроводные модули — это аппаратные компоненты, которые объединяют основные технологии, такие как полнодуплексная связь , сетчатая сеть и шумоподавление, в практичную и удобную форму.

Эти модули выполняют больше функций, чем просто коммуникация «один к одному». Например, такие модули, как SA618F22  или SA628F30,  могут обрабатывать до 8 одновременных сеансов связи и формировать «сетчатую сеть» (MESH). В такой сети каждое устройство может передавать сигналы другим устройствам, расширяя зону связи. Это требует очень точной синхронизации по времени и интеллектуального распределения ресурсов для предотвращения конфликтов.

Эти модули предлагают различные конфигурации производительности для различных применений. Например, некоторые из них обладают низким энергопотреблением (например, SA618F22  с мощностью 160 мВт), в то время как другие могут достигать 8 Вт (например, SA628F39 ) для обеспечения связи на больших расстояниях. Они работают в определённых диапазонах частот (например, 410–480 МГц) и предоставляют различные типы соединений (интерфейсы). Некоторые из них специализированы для аудио (интерфейс I2S), в то время как другие используются для передачи команд управления или данных датчиков (интерфейс UART), например, SA618F30-FD , ориентированный на передачу данных.

Это оборудование решает проблемы, описанные в разделе 2.3. Оно оснащено встроенными алгоритмами устранения эха, а также интегрированным шифрованием AES128  (функцией модуля SA628F30  ) и аппаратной защитой от электростатического разряда. Эти решения, лежащие в основе полнодуплексных раций  и других устройств, гарантируют чёткую, безопасную и надёжную связь даже в шумных и сложных условиях.

Если вы хотите узнать подробные технические характеристики, руководство по выбору и практическое применение полнодуплексных модулей, вы можете прочитать эту статью для получения дополнительной информации:https://www.nicerf.com/news/full-duplex-wireless-walkie-talkie-modules.html

4. Преимущества и технические ограничения полнодуплексной связи

Полнодуплексная связь  может обеспечить гораздо более высокую пропускную способность и меньшую задержку, чем полудуплексная связь, но для достижения этих преимуществ требуются более сложные алгоритмы и аппаратное обеспечение.

4.1 Основные преимущества

Основное преимущество полнодуплексной связи  заключается в том, что она удваивает теоретическую пропускную способность . Поскольку данные могут «приходить и уходить» одновременно, общий объём данных, которые можно передать при тех же условиях, естественным образом вдвое превышает показатель полудуплексной связи.

Ещё одним ключевым преимуществом полнодуплексной связи  является отсутствие «времени на оборот».  Полудуплексная связь (как рация) всегда предполагает небольшую паузу при переключении между режимами «говорить» и «слушать». Этот процесс переключения (который может занимать десятки миллисекунд) занимает время и может вызывать задержку. Полный дуплекс практически устраняет эту задержку, сохраняя канал открытым в обоих направлениях.

Отсутствие задержек повышает интерактивность, делая работу таких приложений, как телефонные звонки, видеоконференции и удаленные операции, более плавной.

4.2 Технические ограничения и затраты на реализацию

Однако достижение полнодуплексной связи  сопряжено с определённой ценой. Главная проблема заключается в «сложности»: как аппаратное обеспечение (например, высокопроизводительные дуплексеры, необходимые для FDD), так и программное обеспечение (например, сложные алгоритмы эхоподавления) предъявляют более высокие технические требования.

Эти сложные алгоритмы требуют значительной вычислительной мощности (например, от DSP или FPGA), что, в свою очередь, увеличивает энергопотребление . Это серьёзная проблема для мобильных устройств, работающих от аккумулятора, таких как телефоны.

Кроме того, ключевым ограничением является стоимость спектра  . Схема FDD требует двух отдельных блоков спектра, что является дорогостоящим. Схема TDD, хотя и более гибкая в использовании спектра, вносит дополнительные задержки и затраты на синхронизацию.

Следовательно, полнодуплексная связь  не является оптимальным решением для всех сценариев. Во многих простых приложениях, таких как датчики, которым требуется лишь эпизодическая передача данных, или односторонние команды управления, более подходящим выбором будет более простая и недорогая полудуплексная система. Основное преимущество технологии полнодуплексной связи  заключается в приложениях, где требуется двустороннее взаимодействие в реальном времени, таких как голосовые вызовы или дистанционное управление.

5. Заключение: Будущее полнодуплексной связи

Современные системы связи всё чаще используют полнодуплексную связь  для поддержки двунаправленного трафика в реальном времени, тогда как ранние системы использовали симплекс или полудуплекс из-за ограничений оборудования или спектра. Основная инженерная задача сместилась с простого обеспечения двусторонней связи (которую решал полудуплекс) на обеспечение одновременной двусторонней связи эффективным и экономичным способом. Принципы FDD и TDD теперь полностью сформировались и составляют основу наших современных глобальных полнодуплексных  сетей связи.

Однако поиски ещё большей спектральной эффективности продолжаются. Одной из основных целей в отрасли является « внутриполосный полный дуплекс » ( IBFD ). Эта технология направлена ​​на передачу и приём данных «одновременно и на одной частоте»,  что теоретически может удвоить спектральную эффективность по сравнению с TDD или FDD.

Конечно, проблема собственных помех для IBFD огромна (требуется подавление помех на уровне более 110 дБ, включая моделирование искажений от собственного усилителя мощности устройства), но именно это является ключевым направлением исследований для сетей 5G-Advanced и 6G  . В случае успешной реализации преимущества IBFD выйдут за рамки простого удвоения пропускной способности; он также может значительно сократить задержку (поскольку устройство сможет мгновенно получать подтверждение) и даже повысить безопасность сети (позволяя устройству «прослушивать» глушилки во время передачи).