Comunicación dúplex completa: principios técnicos, modos y análisis del sistema

1. Definición básica de dúplex completo

1.1 ¿Qué es la comunicación dúplex completa?

La comunicación dúplex completa (FDX) es como una conversación cara a cara: ambas partes pueden hablar y escuchar al mismo tiempo, sin esperar a que la otra termine.

De hecho, utilizamos la tecnología full-duplex a diario. El ejemplo más clásico es una llamada telefónica: se puede interrumpir en cualquier momento, a diferencia de usar un walkie-talkie, donde hay que decir "cambio". Las redes cableadas actuales, el software de videoconferencia e incluso los juegos en línea dependen de la comunicación full-duplex  para garantizar una interacción fluida y en tiempo real. No es exagerado decir que es un pilar fundamental de la comunicación moderna.

Para comprender mejor el modo dúplex completo, veamos los otros dos modos de comunicación: simplex y semidúplex.

1.2 Diferencia entre simplex, semidúplex y dúplex completo

Puedes pensar en simplex, semidúplex y dúplex completo como tres formas diferentes de chatear.

• Simplex : Es como escuchar la radio o ver las noticias en la televisión. La señal solo puede ir de la emisora ​​hacia ti; no puedes responder. Esta comunicación es estrictamente unidireccional.

• Semidúplex : Es como usar un walkie-talkie. Ambos pueden hablar, pero no al mismo tiempo. Hay que pulsar el botón para hablar y soltarlo para escuchar. Aunque la comunicación es bidireccional, el canal es compartido, así que hay que turnarse.

• Dúplex completo : Es como una llamada telefónica normal; puedes hablar y escuchar al mismo tiempo, y la otra persona también. De esta forma, el mismo canal se convierte en dos carriles independientes, lo que permite que los datos viajen en ambas direcciones simultáneamente, duplicando así la eficiencia. Esto es lo que hace que el dúplex completo sea tan potente.

La decisión sobre qué modo de "chat" utilizar se rige por reglas establecidas en el nivel más bajo de comunicación (la capa física). Por lo tanto, el modo de un dispositivo —si puede "chatear simultáneamente" o debe "chatear por turnos"— queda definido al salir de fábrica.

1.3 Semidúplex vs. Dúplex completo vs. Símplex

2. Cómo funciona el dúplex completo

Para lograr el funcionamiento dúplex completo (hablar y escuchar al mismo tiempo), un dispositivo debe resolver un problema: la "autointerferencia".

¿Qué es la autointerferencia?

En pocas palabras, el problema es este: no se puede "gritar por un megáfono" (transmitir una señal) y esperar al mismo tiempo "oír caer un alfiler" (recibir una señal).

• ¿Qué tan grave es el problema?  El propio "grito" de un dispositivo (transmisión, TX) puede ser 10 mil millones de veces más fuerte  (técnicamente 100 dB) que la débil señal que intenta "escuchar" (recibir, RX).

• ¿Cuál es el resultado?  Sin ningún procesamiento, este enorme "grito" " ahogará" por completo  la débil señal de "escucha", haciendo imposible oír nada.

Por lo tanto, la solución  consiste en aislar de manera eficiente las señales de "envío" (TX) y de "recepción" (RX).

Para solucionar esto, los ingenieros utilizan principalmente dos métodos ingeniosos para "aislar" las señales, asegurando que hablar y escuchar no interfieran entre sí:

1. Carriles separados (FDD - Dúplex por División de Frecuencia):  Esto es como construir una autopista elevada completamente separada para transmitir y recibir; se comunican en frecuencias diferentes.

2. Dúplex por División de Tiempo (TDD):  La transmisión y la recepción comparten la misma vía, pero siguen estrictamente un semáforo. El sistema alterna entre "hablar" y "escuchar" a una velocidad tan rápida (imperceptible para el oído humano) que se percibe como simultánea.

Las siguientes dos secciones, 2.1 y 2.2, detallarán cómo se implementan estas dos tecnologías.

2.1 Separación de canales: Duplexación por división de frecuencia (FDD)

La comunicación dúplex completo (FDD) utiliza el método más directo para evitar la autointerferencia: dos canales de frecuencia independientes , uno dedicado a la transmisión y otro a la recepción. Entre estos dos canales, existe una banda de guarda , similar a una mediana en una autopista, que garantiza que las señales no interfieran entre sí, un requisito fundamental para la comunicación dúplex completo .

Componente principal: Duplexor

Los primeros teléfonos móviles solían tener una sola antena  , pero necesitaban gestionar simultáneamente las señales de voz y de escucha. El « duplexor » es el componente clave que resuelve este problema. Normalmente se conecta al puerto de antena común del dispositivo .

Se trata de una combinación de filtros pasivos basados ​​en la frecuencia  cuya inteligencia reside en su capacidad para controlar con precisión el flujo de señal en ambas direcciones simultáneamente:

• Dirige la potente señal de transmisión  (del "megáfono") únicamente a la antena .

• Dirige la débil señal recibida  (de la "antena") únicamente al receptor .

De esta forma, se asegura que la señal transmitida (desde el "megáfono") no se "filtre" ni "ahogue" al sensible receptor ("oído").

Ventajas : Dado que la transmisión y la recepción cuentan con canales dedicados y siempre abiertos, la latencia en la transmisión de datos es muy baja y estable . Esto resulta ideal para aplicaciones que requieren respuestas inmediatas, como llamadas telefónicas y videoconferencias.

Desventajas : Requiere ocupar dos bandas de frecuencia separadas , lo que duplica el coste en términos de recursos espectrales escasos. En segundo lugar, el duplexor  aumenta el tamaño del dispositivo.

2.2 Separación de canales: Dúplex por división de tiempo (TDD)

La comunicación dúplex por división de tiempo (TDD ) adopta un enfoque distinto al de la comunicación dúplex completa . Permite que la transmisión y la recepción compartan el mismo canal de frecuencia , pero las alterna estrictamente en el tiempo . El sistema cambia a alta velocidad entre intervalos de tiempo de transmisión y recepción, separados por un breve intervalo de guarda.

Los componentes principales del método TDD son un conmutador de RF muy rápido  y un reloj sincronizado de alta precisión . Este conmutador se encarga de cambiar físicamente la conexión de la antena entre los circuitos de transmisión (TX) y recepción (RX), como un semáforo extremadamente sensible.

La principal ventaja de TDD  es su alta eficiencia espectral , ya que solo ocupa un canal (FDD necesita dos). Además, es flexible, permitiendo la asignación dinámica de ancho de banda  (por ejemplo, 70 % del tiempo para descarga y 30 % para carga). Sin embargo, sus desventajas  también son evidentes: el cambio constante introduce una pequeña latencia . Más importante aún, TDD requiere una sincronización horaria precisa en toda la red  (a menudo mediante GPS) para garantizar que la transmisión de un dispositivo no interfiera con la recepción de otro y cause interferencias.

2.3 Desafío técnico fundamental: Supresión de la autointerferencia y cancelación del eco

FDD y TDD no son suficientes para lograr una comunicación dúplex completa real . Debido a la alta potencia de la señal de transmisión (TX) del dispositivo, incluso con el aislamiento básico de FDD (dúplex) o TDD (conmutación por tiempo), parte de la señal se filtrará a la ruta de recepción (RX), que es sensible. Esta autointerferencia residual es lo suficientemente fuerte como para enmascarar la señal débil que se desea recibir.

Por lo tanto, los ingenieros utilizan técnicas de "cancelación de ruido" para eliminar esta interferencia "filtrada" en tres dominios:

• Dominio de propagación  (aislamiento físico): Esto es como colocar el "megáfono" (antena transmisora) y el "micrófono" (antena receptora) muy separados y apuntando en direcciones diferentes, lo que proporciona una reducción física inicial de la interferencia.

• Dominio de RF  (Cancelación Analógica): Esto es como usar "auriculares con cancelación de ruido". El sistema muestrea su propio "grito" y luego crea una señal "antirruido" idéntica pero con la fase invertida para cancelarla antes de que la señal entre al amplificador.

• Dominio de banda base  (cancelación digital): Esta es la "limpieza final". El sistema utiliza algoritmos informáticos para "restar" matemáticamente el último bit de "eco" residual (incluida la distorsión) de los datos recibidos después de los dos primeros pasos.

Un sistema avanzado de comunicación dúplex completo  utilizará estas tres técnicas simultáneamente para lograr una comunicación eficiente y fiable de "hablar y escuchar al mismo tiempo".

3. Aplicaciones y ejemplos de sistemas dúplex completos

La tecnología de comunicación dúplex completo  es la base de casi todas las infraestructuras de comunicación modernas.

3.1 Ejemplos y aplicaciones clásicas de dúplex completo

El ejemplo más clásico es el teléfono . Ya sea una llamada desde un teléfono fijo antiguo o desde un teléfono inteligente moderno, ambos permiten que las partes hablen y escuchen simultáneamente, lo que define la comunicación dúplex completa .

El uso del modo dúplex completo en redes informáticas  (como Ethernet) es también un ejemplo clave. Las primeras redes "compartidas" (basadas en concentradores) eran como un walkie-talkie: todos compartían un canal y tenían que hablar por turnos (semidúplex). Sin embargo, las redes modernas (basadas en conmutadores) crean un canal dedicado para cada ordenador, como una línea telefónica privada, lo que permite enviar y recibir datos simultáneamente (dúplex completo), aumentando considerablemente la velocidad de la red.

Además, las redes móviles 4G y 5G  también utilizan de forma flexible la tecnología de comunicación dúplex completo  . Seleccionan de forma inteligente entre los esquemas FDD (más estables y con menor latencia) o TDD (más eficientes en el uso del espectro) para lograr una transmisión de datos de alta velocidad, en función de los recursos de espectro disponibles y las políticas aplicables.

3.2 Modo dúplex completo en la práctica: Módulos inalámbricos

Los módulos inalámbricos profesionales son componentes de hardware que encapsulan tecnologías básicas como la comunicación dúplex completa , las redes de malla y la cancelación de ruido en un formato práctico y utilizable.

Estos módulos permiten mucho más que la comunicación uno a uno. Por ejemplo, módulos como el SA618F22  o el SA628F30  pueden gestionar hasta 8 conversaciones simultáneas y formar una red mallada (MESH). En dicha red, cada dispositivo puede retransmitir señales para los demás, ampliando así el alcance de la comunicación. Esto requiere una sincronización horaria muy precisa y una asignación inteligente de recursos para evitar conflictos.

Estos módulos ofrecen distintas configuraciones de rendimiento para diversos usos. Por ejemplo, algunos son de bajo consumo (como el SA618F22,  de 160 mW), mientras que otros alcanzan los 8 W (como el SA628F39 ) para garantizar la comunicación a larga distancia. Operan en rangos de frecuencia específicos (p. ej., 410-480 MHz) y proporcionan diferentes tipos de conexiones (interfaces). Algunos están especializados en audio (interfaz I2S), mientras que otros se utilizan para transmitir comandos de control o datos de sensores (interfaz UART), como el SA618F30-FD , que se centra en la transmisión de datos.

Este hardware resuelve los problemas descritos en la sección 2.3. Incorpora algoritmos para eliminar el eco, además de cifrado AES128  (una característica del módulo SA628F30  ) y protección ESD. Estos diseños, fundamentales para los walkie-talkies full duplex  y otros productos, garantizan una comunicación clara, segura y fiable incluso en entornos ruidosos y adversos.

Si desea conocer las especificaciones detalladas, la guía de selección y las aplicaciones prácticas de los módulos full-duplex, puede leer este artículo para obtener más información:https://www.nicerf.com/news/full-duplex-wireless-walkie-talkie-modules.html

4. Ventajas y limitaciones técnicas de la comunicación dúplex completa

La comunicación dúplex completa  puede proporcionar un rendimiento mucho mayor y una latencia menor que la comunicación semidúplex, pero lograr estos beneficios requiere algoritmos y hardware más complejos.

4.1 Principales ventajas

La principal ventaja de la comunicación dúplex completo  es que duplica el rendimiento teórico . Dado que permite que los datos "entren y salgan" simultáneamente, la cantidad total de datos que se pueden transmitir en las mismas condiciones es, naturalmente, el doble que en la comunicación semidúplex.

Otra ventaja clave de la comunicación dúplex completo  es la eliminación del tiempo de respuesta.  La comunicación semidúplex (como un walkie-talkie) siempre tiene una breve pausa al alternar entre hablar y escuchar. Este proceso de conmutación (que puede durar decenas de milisegundos) consume tiempo y puede generar una sensación de retardo. La comunicación dúplex completo elimina prácticamente este retardo al mantener el canal abierto en ambas direcciones.

Esta característica de ausencia de retardo mejora la interactividad, haciendo que aplicaciones como llamadas telefónicas, videoconferencias y operaciones remotas resulten mucho más fluidas.

4.2 Limitaciones técnicas y costes de implementación

Sin embargo, lograr una comunicación dúplex completa  tiene un precio. El principal desafío radica en la complejidad; tanto el hardware (como los duplexores de alto rendimiento necesarios para la comunicación dúplex completa) como el software (como los complejos algoritmos de cancelación de eco) imponen mayores exigencias técnicas.

Estos complejos algoritmos requieren una gran capacidad de procesamiento (por ejemplo, de un DSP o FPGA), lo que a su vez aumenta el consumo de energía . Esto supone un reto importante para los dispositivos móviles que dependen de la batería, como los teléfonos.

Además, el coste del espectro  es una limitación clave. El esquema FDD requiere dos bloques de espectro separados, lo cual resulta costoso. El esquema TDD, si bien ofrece mayor flexibilidad en el uso del espectro, introduce latencia adicional y sobrecarga de sincronización.

Por lo tanto, la comunicación dúplex completa  no es la solución óptima para todos los casos. En muchas aplicaciones sencillas, como un sensor que solo necesita reportar datos ocasionalmente o un comando de control unidireccional, un sistema semidúplex, más simple y económico, resulta una opción más apropiada. El valor principal de la tecnología de comunicación dúplex completa  reside sobre todo en aplicaciones que requieren una interacción bidireccional en tiempo real, como las llamadas de voz o el control remoto.

5. Conclusión: El futuro de la comunicación dúplex completa

Los sistemas de comunicación modernos adoptan cada vez más la comunicación dúplex completo  para soportar tráfico bidireccional en tiempo real, mientras que los sistemas iniciales utilizaban simplex o semidúplex debido a limitaciones de hardware o espectro. El principal desafío de ingeniería ha pasado de simplemente lograr la comunicación bidireccional (resuelta con semidúplex) a lograr la comunicación bidireccional simultánea de forma eficiente y económica. Los principios de FDD y TDD están ahora consolidados y constituyen la base de nuestras actuales redes globales de comunicación dúplex completo  .

Sin embargo, la búsqueda de una mayor eficiencia espectral continúa. Un objetivo clave en la industria es el " dúplex completo en banda " ( IBFD ). Esta tecnología busca transmitir y recibir simultáneamente en la misma frecuencia,  lo que en teoría podría duplicar la eficiencia espectral en comparación con TDD o FDD.

Por supuesto, el desafío de la autointerferencia para la IBFD es enorme (requiere una cancelación de más de 110 dB, incluyendo el modelado de la distorsión del propio amplificador de potencia del dispositivo), pero este es precisamente un área clave de investigación para las redes 5G-Advanced y 6G  . Si se implementa con éxito, los beneficios de la IBFD irían más allá de simplemente duplicar el rendimiento; también podría reducir significativamente la latencia (ya que un dispositivo podría recibir una confirmación instantáneamente) e incluso mejorar la seguridad de la red (al permitir que un dispositivo detecte interferencias mientras transmite).