Antennesystem med ti gange hurtigere hastighed i dataoverførsel og modtagelse

Brugen af ​​trådløse enheder eksploderer. Statista, en international forskningstjeneste, anslået i marts 2019, at omkring 13 milliarder mobile enheder (f.eks. telefoner, tabletter, bærbare computere) blev brugt i hele verden, og Gartner, et globalt forsknings- og rådgivningsfirma, forudser, at tingenes internet vil opsvulme det tal til mere end 21 milliarder enheder inden udgangen af ​​2020.

Den udbredte brug af mobile enheder skaber allerede betydelig efterspørgsel på det cellulære system, der understøtter al denne trådløse forbindelse, især på steder, såsom en udendørs koncert eller en sportsarena, hvor et stort antal brugere kan forbindes samtidigt. Evnen til den nuværende cellulære teknologi, eller endda den foreslåede næste generations 5G-teknologi, vil være alvorligt anstrengt for at levere de høje datahastigheder og bred kommunikationsrækkevidde, der er nødvendig for at understøtte den eskalerende enhedsbrug.

Kommunikationssamfundet har kigget på in-band full-duplex (IBFD) teknologi for at øge kapaciteten og antallet af understøttede enheder ved at lade enhederne sende og modtage på samme frekvens på samme tid. Denne evne fordobler ikke kun enhedernes effektivitet inden for frekvensspektret, men reducerer også tiden for en besked, der skal behandles mellem sende- og modtagefunktioner.

I artiklen "In-Band Full-Duplex Technology:Techniques and Systems Survey, "udgivet for nylig i IEEE-transaktioner om mikrobølgeteori og -teknikker , MIT Lincoln Laboratory forskere fra sin RF Technology Group - Kenneth Kolodziej, Bradley Perry, og Jeffrey Herd – vurderede mulighederne for mere end 50 repræsentative IBFD-systemer. De konkluderede, at IBFD -teknologi, der er indarbejdet i trådløse systemer, kan forbedre systemernes evne til at fungere i nutidens overbelastede frekvensspektrum og øge den effektive anvendelse af spektret.

Imidlertid, forfatterne advarede om, at IBFD's potentiale for trådløs kommunikation kun kan realiseres, hvis systemdesignere udvikler teknikker til at afbøde den selvinterferens, der genereres ved samtidig at sende og modtage på samme frekvens.

De hidtil udviklede IBFD-systemer er begrænset i den rækkevidde, de kan opnå, og antallet af enheder, de kan rumme, fordi de er afhængige af antenner, der udstråler omnidirektionelt. For nylig, Lincoln Laboratory-forskere har demonstreret IBFD-teknologi, der for første gang kan fungere på faserede array-antenner. "Phased arrays kan dirigere kommunikationstrafik til målrettede områder, derved udvides de afstande, som RF-signalerne når, og antallet af enheder, som en enkelt node kan forbinde, markant øges, " sagde Kolodziej.

Håndtering af selvinterferensudfordringen

Forskergruppen, ledet af Kolodziej, Perry, og Jonathan Doane, adresserede selvinterferensproblemet gennem en kombination af adaptiv digital stråleformning for at reducere koblingen mellem sende- og modtageantennestråler og adaptiv digital annullering for yderligere at fjerne den resterende selvinterferens. "Eliminering af selvinterferens er særligt udfordrende inden for et faseopdelt array, fordi antennernes nærhed resulterer i højere interferensniveauer, " siger Kolodziej. "Denne interferens bliver endnu sværere, da sendeeffekten overstiger halvdelen af ​​en watt, fordi forvrængning og støjsignaler genereres og også skal fjernes for en vellykket implementering, " tilføjer han.

Phased-array antenner kan bruge stråleformning til dynamisk at ændre antennemønsterets form til enten at fokusere eller reducere energi i en bestemt retning. For laboratoriets nye system, sende digital stråleformning bruges til at minimere det samlede interferenssignal ved hver modtageantenne, og modtagelsesstråleformning gør det muligt for systemet at minimere den selvinterferens, der accepteres fra hver sender. I den digitale stråleformning, det fasede array er opdelt i et transmitterende afsnit af antenner og et tilstødende modtagelsesafsnit. Hver antenne i arrayet kan tildeles til begge funktioner, og størrelsen og geometrien af ​​sende- og modtagezonerne kan modificeres til at understøtte forskellige antennemønstre og funktioner, der kræves af det overordnede system, samtidig med at den er skræddersyet til systemplaceringen.

Selv efter interferensreduktionen fra digital stråleformning, en betydelig mængde støj, samt resterende transmitteret signal, forbliver i det modtagne signal. Traditionelle digitale annulleringsteknikker kan annullere det resterende transmitterede signal, men kan ikke eliminere støj. For at løse dette problem, Lincoln Laboratory-teamet koblede output fra hver aktive sendekanal til den (ellers ubrugte) modtagekanal for den antenne. Derefter, ved hjælp af en målt referencekopi af den transmitterede bølgeform, en adaptiv annulleringsalgoritme kan frafiltrere sendesignalet, forvrængning, og støj, forlader det ukorrupte modtagne signal.

Undertrykkelse af resterende transmitteringssignaler og ekstern støj forbedrer modtagelsen af ​​trådløse signaler fra enheder, der arbejder på samme frekvens, effektivt at øge antallet af enheder, der kan understøttes, og deres datahastigheder. "Vi forestiller os denne IBFD-operation inden for et phased-array-system som et nyt paradigme, der kan føre til betydelige præstationsforbedringer for næste generations trådløse systemer, "Siger Doane.

Forventede forbedringer i trådløs service

Gennem laboratorievurderinger af, hvordan Lincoln Laboratorys foreslåede system kan sammenlignes med nuværende cellulær teknologi og avancerede IBDF-systemer, forskergruppen anslår, at fasemodellen antennesystem med IBFD-kapacitet kan understøtte 100 gange flere enheder og 10 gange højere datahastigheder end den i øjeblikket anvendte 4G LTE (fjerde generations langsigtede evolution) standard for trådløs kommunikation. I øvrigt, phased-array-systemet kan opnå en udvidet kommunikationsrækkevidde på 60 miles, hvilket er mere end 2,5 gange større end det næstbedste system.

Fordi fase-array-antennesystemer anvender flere antenner til at fokusere stråling og udføre stråledannende operationer, Lincoln Laboratorys system er lidt større end enkeltantennesystemet, der er planlagt til 5G NR (femte generation af ny radio) - 1,5 kvadratfod versus en kvadratfod. Imidlertid, enten antennestørrelse bør være tilpasset de fleste basestationer.

"Samlet set, de betydelige forbedringer, der tilbydes af Lincoln Laboratorys system, kan give fremtidige trådløse brugere banebrydende oplevelser, der inkluderer tilslutning af flere enheder inde i deres smarte hjem samt opretholdelse af høje datahastigheder i store menneskemængder, som begge er umulige med den nuværende teknologi, " sagde Doane.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.