Het gebruik van draadloze apparaten explodeert. statistiek, een internationale onderzoeksdienst, in maart 2019 geschat dat ongeveer 13 miljard mobiele apparaten (bijv. telefoons, tabletten, laptops) wereldwijd in gebruik waren, en Gartner, een wereldwijd onderzoeks- en adviesbureau, voorspelt dat het internet der dingen dat aantal tegen het einde van 2020 zal doen toenemen tot meer dan 21 miljard apparaten.

Het wijdverbreide gebruik van mobiele apparaten zorgt al voor een aanzienlijke vraag naar het mobiele systeem dat al deze draadloze connectiviteit ondersteunt, vooral op locaties, zoals een openluchtconcert of een sportarena, waar grote aantallen gebruikers tegelijkertijd verbinding kunnen maken. Het vermogen van de huidige cellulaire technologie, of zelfs de voorgestelde 5G-technologie van de volgende generatie, zal zwaar worden belast om de hoge datasnelheden en het brede communicatiebereik te bieden die nodig zijn om het escalerende apparaatgebruik te ondersteunen.

De communicatiegemeenschap heeft gekeken naar in-band full-duplex (IBFD) technologie om de capaciteit en het aantal ondersteunde apparaten te vergroten door de apparaten tegelijkertijd op dezelfde frequentie te laten zenden en ontvangen. Dit vermogen verdubbelt niet alleen de efficiëntie van de apparaten binnen het frequentiespectrum, maar vermindert ook de tijd die een bericht nodig heeft om te worden verwerkt tussen de verzend- en ontvangstmodus.

In het artikel "In-Band Full-Duplex Technology:Techniques and Systems Survey, " onlangs gepubliceerd in IEEE-transacties op microgolftheorie en -technieken , MIT Lincoln Laboratory-onderzoekers van de RF Technology Group - Kenneth Kolodziej, Bradley Perry, en Jeffrey Herd - beoordeelden de mogelijkheden van meer dan 50 representatieve IBFD-systemen. Ze concludeerden dat IBFD-technologie die in draadloze systemen is geïntegreerd, het vermogen van de systemen om te werken in het huidige overbelaste frequentiespectrum kan verbeteren en het efficiënte gebruik van het spectrum kan vergroten.

Echter, de auteurs waarschuwden dat het potentieel van IBFD voor draadloze communicatie alleen kan worden gerealiseerd als systeemontwerpers technieken ontwikkelen om de zelfinterferentie te verminderen die wordt gegenereerd door gelijktijdig zenden en ontvangen op dezelfde frequentie.

De tot nu toe ontwikkelde IBFD-systemen zijn beperkt in het bereik dat ze kunnen bereiken en het aantal apparaten dat ze kunnen accommoderen, omdat ze afhankelijk zijn van antennes die omnidirectioneel stralen. Onlangs, Onderzoekers van Lincoln Laboratory hebben IBFD-technologie gedemonstreerd die voor het eerst kan werken op phased-array-antennes. "Phased arrays kunnen communicatieverkeer naar gerichte gebieden leiden, waardoor de afstanden die de RF-signalen bereiken worden vergroot en het aantal apparaten dat op één enkel knooppunt kan worden aangesloten aanzienlijk wordt vergroot, ' zei Kolodziej.

Omgaan met de uitdaging van zelfinmenging

Het onderzoeksteam, onder leiding van Kolodziej, Perry, en Jonathan Doane, het zelfinterferentieprobleem aangepakt door een combinatie van adaptieve digitale bundelvorming om de koppeling tussen zend- en ontvangstantennebundels te verminderen en adaptieve digitale annulering om de resterende zelfinterferentie verder te verwijderen. "De eliminatie van zelfinterferentie is met name een uitdaging binnen een phased array omdat de nabijheid van de antennes resulteert in hogere interferentieniveaus, Kolodziej zegt. "Deze interferentie wordt nog moeilijker naarmate het zendvermogen meer dan een halve watt bedraagt, omdat vervormings- en ruissignalen worden gegenereerd en ook moeten worden verwijderd voor een succesvolle implementatie, " hij voegt toe.

Phased-array-antennes kunnen beamforming gebruiken om de vorm van het antennepatroon dynamisch te veranderen om energie in een specifieke richting te focussen of te verminderen. Voor het nieuwe systeem van het laboratorium, zend digitale beamforming wordt gebruikt om het totale interferentiesignaal bij elke ontvangende antenne te minimaliseren, en ontvang beamforming stelt het systeem in staat om de zelfinterferentie die van elke zender wordt geaccepteerd te minimaliseren. In de digitale bundelvorming, de phased array is verdeeld in een zendgedeelte van antennes en een aangrenzend ontvangstgedeelte. Elke antenne in de array kan worden toegewezen aan een van beide functies, en de grootte en geometrie van de zend- en ontvangstzones kunnen worden aangepast om verschillende antennepatronen en functies te ondersteunen die vereist zijn door het totale systeem, terwijl het ook is afgestemd op de systeemlocatie.

Zelfs na de interferentiereductie die wordt geboden door digitale beamforming, een aanzienlijke hoeveelheid lawaai, evenals het resterende verzonden signaal, blijft in het ontvangen signaal. Traditionele digitale annuleringstechnieken kunnen het resterende verzonden signaal annuleren, maar kunnen ruis niet elimineren. Om dit probleem op te lossen, het Lincoln Laboratory-team koppelde de output van elk actief zendkanaal aan het (anders ongebruikte) ontvangstkanaal voor die antenne. Vervolgens, door een gemeten referentiekopie van de uitgezonden golfvorm te gebruiken, een adaptief annuleringsalgoritme kan het zendsignaal uitfilteren, vervorming, en lawaai, het onbeschadigde ontvangen signaal achterlaten.

Het onderdrukken van resterende zendsignalen en externe ruis verbetert de ontvangst van draadloze signalen van apparaten die op dezelfde frequentie werken, het effectief verhogen van het aantal apparaten dat kan worden ondersteund en hun datasnelheden. "We zien deze IBFD-operatie binnen een phased-array-systeem als een nieuw paradigma dat kan leiden tot aanzienlijke prestatieverbeteringen voor draadloze systemen van de volgende generatie, ' zegt Doane.

Voorspelde verbeteringen in draadloze service

Door in-laboratoriumbeoordelingen van hoe het voorgestelde systeem van Lincoln Laboratory zich verhoudt tot de huidige cellulaire technologie en state-of-the-art IBDF-systemen, het onderzoeksteam schat dat het phased-array antennesysteem met IBFD-capaciteit 100 keer meer apparaten en 10 keer hogere datasnelheden kan ondersteunen dan de momenteel gebruikte 4G LTE (vierde generatie langetermijnevolutie) standaard voor draadloze communicatie. Bovendien, het phased-array-systeem kan een groter communicatiebereik van 60 mijl bereiken, wat meer dan 2,5 keer groter is dan het op één na beste systeem.

Omdat phased-array antennesystemen meerdere antennes gebruiken om straling te focussen en bundelvormende operaties uit te voeren, Het systeem van Lincoln Laboratory is iets groter dan het systeem met één antenne dat is gepland voor de 5G NR (nieuwe radio van de vijfde generatie) - 1,5 vierkante voet versus één vierkante voet. Echter, beide antenne-afmetingen moeten door de meeste basisstations worden ondersteund.

"Algemeen, de aanzienlijke verbeteringen die het systeem van Lincoln Laboratory biedt, kunnen toekomstige draadloze gebruikers geavanceerde ervaringen bieden, waaronder het aansluiten van meer apparaten in hun slimme huis en het handhaven van hoge gegevenssnelheden in grote menigten, die beide onmogelijk zijn met de huidige technologie, ' zei Doane.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.