Rodney Leonhardt, Alec Weiss og Jeanne Quimby med NIST's SAMURAI, et bærbart målesystem til understøttelse af design og gentagelige laboratorietest af trådløse 5G -kommunikationsenheder med enestående nøjagtighed. Kredit:Hammer/NIST
Ingeniører ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en fleksibel, bærbart målesystem til understøttelse af design og gentagelige laboratorietest af femte generations (5G) trådløse kommunikationsenheder med enestående nøjagtighed på tværs af en lang række signalfrekvenser og scenarier.
Systemet hedder SAMURAI, kort for syntetisk blænde målinger af usikkerhed i indfaldsvinkel. Systemet er det første til at tilbyde trådløse 5G -målinger med nøjagtighed, der kan spores til grundlæggende fysiske standarder - en nøglefunktion, fordi selv små fejl kan give vildledende resultater. SAMURAI er også lille nok til at blive transporteret til felttest.
Mobilenheder såsom mobiltelefoner, forbruger Wi-Fi-enheder og offentlige sikkerhedsradioer fungerer nu for det meste ved elektromagnetiske frekvenser under 3 gigahertz (GHz) med antenner, der stråler lige meget i alle retninger. Eksperter forudser, at 5G -teknologier kan øge datahastighederne tusind gange ved at bruge højere, "millimeterbølge" frekvenser over 24 GHz og stærkt retningsbestemte, aktivt skiftende antennemønstre. Sådanne aktive antennearrays hjælper med at overvinde tab af disse højfrekvente signaler under transmission. 5G-systemer sender også signaler over flere stier samtidigt-såkaldte rumlige kanaler-for at øge hastigheden og overvinde interferens.
Mange instrumenter kan måle nogle aspekter af retningsbestemt 5G -enhed og kanalydelse. Men de fleste fokuserer på at indsamle hurtige snapshots over et begrænset frekvensområde for at give et generelt overblik over en kanal, der henviser til, at SAMURAI giver et detaljeret portræt. Ud over, mange instrumenter er så fysisk store, at de kan forvrænge millimeterbølgesignaltransmissioner og modtagelse.
Beskrevet på en konference den 7. august, SAMURAI forventes at hjælpe med at løse mange ubesvarede spørgsmål omkring 5Gs brug af aktive antenner, såsom hvad der sker, når høje datahastigheder overføres på tværs af flere kanaler på én gang. Systemet hjælper med at forbedre teorien, hardware og analyseteknikker til at levere præcise kanalmodeller og effektive netværk.
"SAMURAI giver en omkostningseffektiv måde at studere mange millimeterbølgemålingsproblemer, så teknikken vil være tilgængelig for akademiske laboratorier såvel som instrumenteringsmetrologiske laboratorier, "NIST elektronikingeniør Kate Remley sagde." På grund af dets sporbarhed til standarder, brugere kan have tillid til målingerne. Teknikken giver mulighed for bedre antennedesign og ydeevenskontrol, og understøtter netværksdesign. "
SAMURAI måler signaler på tværs af et bredt frekvensområde, i øjeblikket op til 50 GHz, strækker sig til 75 GHz i det kommende år. Systemet fik sit navn, fordi det måler modtagne signaler på mange punkter over et gitter eller virtuel "syntetisk blænde." Dette tillader rekonstruktion af indgående energi i tre dimensioner - herunder vinklerne på de ankommende signaler - som påvirkes af mange faktorer, såsom hvordan signalets elektriske felt reflekterer væk fra objekter i transmissionsvejen.
SAMURAI kan anvendes på en række opgaver fra at kontrollere ydeevnen for trådløse enheder med aktive antenner til måling af reflekterende kanaler i miljøer, hvor metalliske objekter spreder signaler. NIST-forskere bruger i øjeblikket SAMURAI til at udvikle metoder til test af industrielle Internet of Things-enheder ved millimeterbølgefrekvenser.
De grundlæggende komponenter er to antenner til at sende og modtage signaler, instrumentering med præcis timing synkronisering til at generere radiotransmissioner og analysere modtagelse, og en seks-akset robotarm, der placerer modtageantennen til gitterpunkterne, der danner den syntetiske blænde. Robotten sikrer præcise og gentagelige antennepositioner og sporer en række modtagelsesmønstre i 3D-rum, såsom cylindriske og halvkugleformede former. En række små metalgenstande, såsom flade plader og cylindre, kan placeres i testopsætningen for at repræsentere bygninger og andre virkelige hindringer for signaloverførsel. For at forbedre positionsnøjagtigheden, et system med 10 kameraer bruges også til at spore antennerne og måle placeringen af objekter i kanalen, der spreder signaler.
Systemet er typisk fastgjort til et optisk bord, der måler 1,5 fod x 4,3 meter. Men udstyret er bærbart nok til at kunne bruges i mobile felttest og flyttes til andre laboratorieindstillinger. Forskning i trådløs kommunikation kræver en blanding af laboratorietest - som er godt kontrolleret for at hjælpe med at isolere specifikke effekter og kontrollere systemets ydeevne - og felttest, som fanger rækkevidden af realistiske forhold.
Målinger kan kræve timer at gennemføre, så alle aspekter af den (stationære) kanal registreres til senere analyse. Disse værdier omfatter miljøfaktorer som temperatur og fugtighed, placering af spredningsgenstande, og drift i målesystemets nøjagtighed.
NIST -teamet udviklede SAMURAI med samarbejdspartnere fra Colorado School of Mines i Golden, Colorado. Forskere har verificeret den grundlæggende operation og inkorporerer nu usikkerhed på grund af uønskede refleksioner fra robotarmen, positionsfejl og antennemønstre i målingerne.