Het realiseren van een tactisch radionetwerk om communicatie tussen zowel groepen militairen als militairen onderling op het land mogelijk te maken, vraagt in deze tijd om technologisch hoogwaardige oplossingen.

De eisen zijn namelijk talrijk en hoog ten aanzien van onder meer capaciteit, reikwijdte, efficiëntie, cyberveiligheid, betrouwbaarheid, robuustheid en interoperabiliteit. Elbit Systems werkt al tientallen jaren aan dit type systemen waar een hoge selectiviteit en een breed dynamisch bereik centraal staan. De laatste ontwikkelingen bevinden zich op het vlak van meerkanaals radionetwerken – het liefst full-duplex – die een duidelijk antwoord zijn op de steeds complexere eisen.

Binnen de landmacht opereren netwerkleden meestal binnen groepen waarbij zowel de groepen met elkaar moeten kunnen communiceren als de verschillende leden onderling. Dit vereist in principe de fysieke aanwezigheid van verschillende knooppunten die het netwerk vormen. Op het land is veelal sprake van een ‘dichtbij-veraf’ scenario: communicatie vindt plaats met apparatuur op afstand waarbij het bereik van belang is en gelijktijdig met apparatuur in de buurt dat op aangrenzende kanalen werkt.

 

Selectiviteit en bereik

Om dit type communicatie mogelijk te maken moet het radiosysteem van oudsher twee belangrijke RF-functies (RF = radio frequency) combineren: een hoge selectiviteit en een breed dynamisch bereik. De selectiviteit betreft de ontvanger en gaat onder meer over het vermogen om ongewenste signalen inclusief jamming die buiten de bandbreedte van het gewenste signaal liggen te kunnen dempen. Het dynamisch bereik heeft ook betrekking op de ontvanger en bepaalt het verschil tussen het zwakste signaal dat hij kan ontvangen en het sterkste signaal dat binnenkomt.

Deze twee eigenschappen spelen onder meer een belangrijke rol omdat in het veld vaak verschillende communicatiesystemen naast elkaar worden gebruikt die elkaar kunnen verstoren. Zo heeft een vliegtuigplatform vaak verschillende communicatiesystemen die werken op frequenties of banden in de buurt. Hierbij kan de transmissie van het ene systeem op een zeer sterk niveau worden ontvangen via de antenne van het andere systeem (tot wel 30 dBm), terwijl het ontvangstsignaal behouden moet blijven met een gevoeligheid van slechts -100 dBm.

Een hoge selectiviteit en een breed dynamisch bereik zijn onder meer te realiseren door analoge en digitale technieken te combineren. Dit biedt tevens het voordeel dat efficiënter gebruik kan worden gemaakt van het spectrum.
 


 


Hoeveelheid data

Naast de betrouwbaarheid van de communicatie ligt er tevens een vraagstuk bij de hoeveelheid data die gelijktijdig binnen een bepaald tijdsbestek moet worden verzonden. Waar vroeger de nadruk lag op vooral het overbrengen van spraak, eventueel aangevuld met aanvullende maar beperkte data, gaat het tegenwoordig om zowel spraak als (realtime) full motion beeldmateriaal en de wens om meerder deelnemers gelijktijdig te laten communiceren.

Het antwoord op deze uitdaging ligt in het meervoudig gebruik van RF (meerkanaals radio) en andere golfvormen van het signaal. Gelijktijdige ontvangst met diverse RF-kanalen in combinatie met half-duplex radio's is echter nog steeds onvoldoende. Half-duplex betekent namelijk dat in een netwerk slecht één persoon gelijktijdig kan zenden. Zenden er meer personen op hetzelfde moment, dan is de kans groot dat het bericht niet of niet goed overkomt en eventueel ook niet bij de gewenste ontvanger. De beperking van half-duplex wordt nog groter wanneer het nodig is om verschillende golfvormen gelijktijdig te handelen via een enkele radio-eenheid. Zeker wanneer er een noodzaak is voor niet-gesynchroniseerde verzending en ontvangst tussen diverse golfvormen en gegarandeerde connectiviteit tussen verschillende netwerken.

 

Full-duplex

Om bovenstaande beperkingen het hoofd te bieden, ontwikkelde Elbit Systems in de afgelopen jaren de zogenaamde full-duplex radio's. Deze maken het volledige gebruik van meerkanaalsontvangst parallel met meerkanaalstransmissie mogelijk.

Het verschil tussen meerkanaals met half-duplex of meerkanaals met full-duplex is in onderstaande figuren gevisualiseerd.

Figuur 1: Meerkanaals en half-duplex: wanneer meer personen gelijktijdig zenden, krijgt de ontvanger de boodschap niet of niet goed door.

 

Figuur 2: Meerkanaals en full-duplex: meer personen kunnen gelijktijdig zenden en de ontvanger ontvang de afzonderlijke boodschappen goed en volledig.

 

In de eerste figuur wordt gecommuniceerd met weliswaar een systeem met meer kanalen, maar door het half-duplex karakter bereiken de berichten van de verschillende zenders de ontvanger niet of niet volledig. Dit is anders bij de full-duplex uitvoering die in figuur 2 te zien is. Hierbij zenden de diverse mensen of groepen gelijktijdig en kan de ontvanger (gebruiker 4) alle boodschappen betrouwbaar ontvangen.
 

Technologische uitdagingen

Dit klinkt ideaal, maar de ontwikkeling van meerkanaalsradio's met full-duplex-mogelijkheden gaat wel gepaard met een groot aantal technologische uitdagingen. Om de meerkanaalscapaciteit bijvoorbeeld effectief te implementeren, is zowel analoge als digitale kanaalfiltering nodig; dit om voor ieder kanaal interferentie te verminderen. Dit type filtering biedt een RF-vangst met de eerdergenoemde gewenste hoge selectiviteit en een breed dynamisch bereik per kanaal. Daarnaast vermindert het de transmissieruis in de aangrenzende kanalen. Een dergelijke filtering moet efficiënt worden geïmplementeerd zodat hij een groot frequentiebereik ondersteunt terwijl de kleine vormfactor (SWaP-C) voor voertuig- en draagbare radioconfiguraties behouden blijft.

Verder wordt bij full-duplex de ontvangstruis aangewakkerd door een toenemend ‘lekvermogen’ tussen aangrenzende kanalen. Transmissie en ontvangst vinden immers plaats in aangrenzende kanalen en door antennes die zeer dicht bij elkaar liggen; bijvoorbeeld omdat zij zich in hetzelfde voertuig bevinden of misschien zelf gedragen door een militair. Dit is te voorkomen door toepassing van Self-Interference Cancellation (SIC)-technologie in zowel het analoge als het digitale domein te implementeren. Dit is geïllustreerd in figuur 3.

Figuur 3: Self-Interference Cancellation (SIC) technologie

 

Conclusie

Omdat de meerkanaals- en full-duplextechnologieën werken met een meerkanaalsgolfvorm, kunnen zij de prestaties van tegenwoordig gangbare Mobile Ad Hoc Network (MANET) radio's aanzienlijk verbeteren. De gegevensdoorvoercapaciteit maakt tientallen Mbps per radio-eenheid (node) mogelijk bij gelijktijdig hogere bitrates per netwerk. Daarbij maken ze ook schaalbare, flexibele en dynamische netwerken mogelijk of laten een groter aantal deelnemers toe evenals meer groepen. Relayeermogelijkheden nemen eveneens navenant toe. Tevens draagt het bij aan een verminderde vertraging en een verbeterde signaalverwerking en immuniteit.

Tot slot kunnen meerkanaals full-duplex radio's de werking van gelijktijdige golfvormen over een enkel platform ondersteunen. Dit vereenvoudigt de connectiviteit tussen verschillende netwerken met behulp van interne of externe routers, en verbetert verschillende scenario's, zoals Manned-Unmanned Teaming (MUM-T). De samenwerking met robotische en autonome systemen vraagt immers om lage latentie.

In de komende tijd zullen de meerkanaals, full-duplex radio oplossingen door Elbit Systems op de markt worden gebracht. Op dit moment zijn intensieve testen gaande.
 

Meer weten over de technologie die ten grondslag ligt aan deze geavanceerde software defined radio's? Lees dan de whitepaper 'The Challenges of Military Networks and Technological Developments'.