NISTs antenneevalueringsmetode kan hjælpe med at øge 5G-netværkskapaciteten og reducere omkostningerne

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en metode til at evaluere og udvælge optimale antennedesign til fremtidige femte generations (5G) mobiltelefoner, andre trådløse enheder og basestationer.

Den nye NIST-metode kunne øge 5G trådløs netværkskapacitet og reducere omkostningerne.

5G-systemer vil undgå overfyldte konventionelle trådløse kanaler ved at bruge højere, millimeter-bølge frekvensbånd. Transmissioner på disse frekvenser mister meget energi undervejs, hvilket svækker modtaget signalstyrke. En løsning er "smarte" antenner, der kan danne usædvanligt smalle stråler - det område i rummet, hvor signaler transmitteres eller modtages - og hurtigt styre dem i forskellige retninger.

Antennes strålebredde påvirker det trådløse systemdesign og ydeevne. NISTs nye målebaserede metode giver systemdesignere og ingeniører mulighed for at evaluere de mest passende antennestrålebredder til virkelige miljøer.

"Vores nye metode kan reducere omkostningerne ved at muliggøre større succes med indledende netværksdesign, eliminerer meget af den trial and error, der nu er påkrævet, "NIST-ingeniør Kate Remley sagde. "Metoden ville også fremme brugen af ​​nye basestationer, der transmitterer til flere brugere enten samtidigt eller hurtigt efter hinanden, uden at en antennestråle forstyrrer en anden. Det her, på tur, ville øge netværkskapaciteten og reducere omkostningerne med højere pålidelighed."

Dette er den første detaljerede målingsbaserede undersøgelse af, hvordan antennens strålebredde og orientering interagerer med omgivelserne for at påvirke millimeterbølgesignaltransmission. I teknikken, NIST-målinger, der dækker en bred vifte af antennestrålevinkler, konverteres til et rundstrålende antennemønster, der dækker alle vinkler ligeligt. Det rundstrålende mønster kan derefter segmenteres i smallere og smallere strålebredder. Brugere kan evaluere og modellere, hvordan antennestråleegenskaber forventes at fungere i specifikke typer trådløse kanaler.

En ingeniør kunne bruge metoden til at vælge en antenne, der passer bedst til en specifik applikation. For eksempel, ingeniøren kan vælge en strålebredde, der er smal nok til at undgå refleksioner fra visse overflader, eller som tillader flere antenner at sameksistere i et givet miljø uden interferens.

For at udvikle den nye metode, NIST-holdet indsamlede eksperimentelle data i en gang og lobby i en NIST-forskningsbygning, ved hjælp af en speciel robot fyldt med en tilpasset kanalekkolod og andet udstyr. En kanalekkolod indsamler data, der fanger signalrefleksionerne, diffraktioner og spredning, der opstår mellem en sender og modtager. Mange sådanne målinger kan bruges til at skabe en statistisk repræsentation af radiokanalen, at understøtte pålideligt systemdesign og standardisering.

NIST-undersøgelsesresultater bekræfter, at smalle stråler kan reducere signalinterferens og forsinkelser betydeligt, og at en optimeret stråleorientering reducerer energitab under transmissioner. For eksempel, tidsintervallet, i hvilket signalrefleksioner ankommer (en metrik kaldet RMS-forsinkelsesspredning) faldt dramatisk fra 15 nanosekunder (ns) til omkring 1,4 ns, da antennestrålebredden blev reduceret fra rundstrålende (360 grader) til en smal 3 graders eller såkaldt blyantstråle .

Fremtidig forskning vil omfatte udvidelse af metoden til forskellige miljøer og analyse af andre trådløse kanalkarakteristika.