5G bez ograniczeń może wkrótce stać się rzeczywistością

Japońscy naukowcy opracowują wydajny układ nadawczo-odbiorczy zasilany bezprzewodowo, który może rozwiązać wiele problemów sieci 5G.

Naukowcy z Tokyo Tech opracowali przełomowy, składający się z 256 elementów, zasilany bezprzewodowo układ nadajników-odbiorników do komunikacji 5G, zaprojektowany z myślą o rozwiązywaniu problemów, takich jak niski współczynnik SNR i blokowanie sygnału spowodowane przeszkodami fizycznymi. Układ ten wykorzystuje kształtowanie wiązki i zaawansowane technologie konwersji mocy, aby poprawić jakość sygnału i rozszerzyć zasięg sieci, szczególnie w środowiskach niewidocznych. Osiągając znaczną poprawę wydajności konwersji mocy i współczynnika SNR, ten układ urządzeń nadawczo-odbiorczych obiecuje zwiększyć dostępność i niezawodność sieci 5G, wspierając w ten sposób bardziej wszechobecną i efektywną komunikację bezprzewodową.

➔ PRZECZYTAJ TAKŻE: 6G osiągnęło 100 Gb/s – 500 razy szybciej niż przeciętne telefony komórkowe 5G

Naukowcy opracowali innowacyjny, zasilany bezprzewodowo przekaźnik-odbiornik, który zwiększa zasięg sieci 5G nawet w obszarach, w których połączenie jest utrudnione.

Komunikacja 5G na falach milimetrowych, która wykorzystuje sygnały radiowe o niezwykle wysokiej częstotliwości (24–100 GHz), to obiecująca technologia komunikacji bezprzewodowej nowej generacji, charakteryzująca się dużą szybkością, niskim opóźnieniem i dużą przepustowością sieci. Jednak obecne sieci 5G stoją przed dwoma kluczowymi wyzwaniami. Pierwszym z nich jest niski stosunek sygnału do szumu (SNR). Wysoki współczynnik SNR ma kluczowe znaczenie dla dobrej komunikacji. Kolejnym wyzwaniem jest blokowanie łącza, które odnosi się do zakłóceń sygnału między nadajnikiem a odbiornikiem z powodu przeszkód takich jak budynki.

Proponowana konstrukcja transceivera umożliwia wysoką wydajność konwersji mocy i zysk konwersji, zwiększając zasięg sieci 5G nawet na obszarach z blokadą łącza. Źródło: Międzynarodowe sympozjum mikrofalowe IEEE MTT-S 2024

Rozwiązania w zakresie kształtowania wiązki i nieliniowe

Kształtowanie wiązki to kluczowa technika komunikacji na duże odległości wykorzystująca fale milimetrowe, która poprawia SNR. Technika ta wykorzystuje szereg czujników do skupiania sygnałów radiowych w wąską wiązkę w określonym kierunku, podobnie jak skupianie wiązki światła latarki w jednym punkcie. Jednakże ogranicza się ona do komunikacji w zasięgu wzroku, gdzie nadajniki i odbiorniki muszą znajdować się w linii prostej, a odbierany sygnał może ulec pogorszeniu z powodu przeszkód. Ponadto beton i nowoczesne materiały szklane mogą powodować duże straty propagacyjne. Dlatego istnieje pilna potrzeba opracowania systemu przekaźników niewidocznych w linii wzroku (NLoS), aby rozszerzyć zasięg sieci 5G, szczególnie w pomieszczeniach zamkniętych.

Aby rozwiązać te problemy, zespół naukowców pod kierownictwem profesora nadzwyczajnego Atsushi Shirane z Laboratorium Przyszłych Interdyscyplinarnych Badań Nauki i Technologii w Tokijskim Instytucie Technologii (Tokyo Tech) zaprojektował nowatorski, zasilany bezprzewodowo przekaźnik nadawczo-odbiorczy dla sieci 5G wykorzystującej fale milimetrowe 28 GHz komunikacji (jak pokazano na rysunku 1). Wyniki ich badania opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the 2024 IEEE MTT-S International Microwave Symposium.

Struktura obwodu proponowanego nadajniko-odbiornika

Wyjaśniając motywację swoich badań, Shirane mówi: „Wcześniej w przypadku komunikacji NLoS badano dwa typy przekaźników 5G: typ aktywny i typ zasilany bezprzewodowo. Chociaż aktywny przekaźnik może utrzymać dobry współczynnik SNR nawet przy niewielkiej liczbie układów prostowników, jego zużycie energii jest duże. Typ zasilany bezprzewodowo nie wymaga specjalnego zasilacza, ale wymaga wielu układów prostowników do utrzymania współczynnika SNR ze względu na niski zysk konwersji i wykorzystuje diody CMOS o wydajności konwersji mocy poniżej dziesięciu procent. Nasz projekt rozwiązuje te problemy, wykorzystując dostępne na rynku półprzewodnikowe układy scalone (IC).”

Specyfikacje techniczne i wyniki testów

Proponowany transceiver składa się z 256 układów prostowników z bezprzewodowym przesyłaniem mocy (WPT) w paśmie 24 GHz. Układy te składają się z dyskretnych układów scalonych, w tym diod z arsenku galu i balunów, które łączą zbalansowane i niezbalansowane (bal-un) linie sygnałowe, przełączniki DPDT i cyfrowe układy scalone (patrz rysunek 2). Warto zauważyć, że przekaźnik (nadajnik-odbiornik) jest zdolny do jednoczesnej transmisji danych i mocy, konwertując sygnał WPT 24 GHz na prąd stały (DC) i umożliwiając jednocześnie dwukierunkową transmisję i odbiór 28 GHz. Sygnał 24 GHz jest odbierany indywidualnie przez każdy prostownik, natomiast sygnał 28 GHz jest przesyłany i odbierany za pomocą kształtowania wiązki. Obydwa sygnały mogą być odbierane z tego samego lub różnych kierunków, a sygnał 28 GHz może być przesyłany albo z odblaskiem za pomocą sygnału pilota 24 GHz, albo w dowolnym kierunku.

Testy wykazały, że proponowany nadajnik może osiągnąć sprawność konwersji mocy na poziomie 54% i wzrost konwersji na poziomie –19 decybeli, czyli więcej niż w przypadku konwencjonalnych nadajniko-odbiorników, przy jednoczesnym zachowaniu współczynnika SNR na dużych dystansach. Dodatkowo osiąga około 56 miliwatów wytwarzania energii, którą można jeszcze zwiększyć, zwiększając liczbę tablic. Może to również poprawić rozdzielczość wiązek nadawczo-odbiorczych. „Proponowany transceiver może przyczynić się do wdrożenia sieci 5G wykorzystującej fale milimetrowe nawet w miejscach, w których łącze jest zablokowane, poprawiając elastyczność instalacji i obszar zasięgu” – zauważa Shirane na temat zalet swojego urządzenia.

Ten nowy transceiver sprawi, że sieci 5G staną się bardziej powszechne, dzięki czemu szybka komunikacja z niskimi opóźnieniami będzie dostępna dla wszystkich!

Badanie zostało sfinansowane przez Ministerstwo Spraw Wewnętrznych i Komunikacji, Narodowy Instytut Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych oraz Japońską Agencję Nauki i Technologii.

źródło: Tokyo Tech | ScitechDaily