Ingenieurs van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een flexibele, draagbaar meetsysteem ter ondersteuning van ontwerp en herhaalbare laboratoriumtests van draadloze communicatieapparatuur van de vijfde generatie (5G) met ongekende nauwkeurigheid over een breed scala aan signaalfrequenties en scenario's.

Het systeem heet SAMURAI, afkorting voor Synthetic Aperture Measurements of Uncertainty in Angle of Incidence. Het systeem is het eerste dat draadloze 5G-metingen aanbiedt met een nauwkeurigheid die kan worden herleid tot fundamentele fysieke normen - een belangrijk kenmerk omdat zelfs kleine fouten misleidende resultaten kunnen opleveren. SAMURAI is ook klein genoeg om te worden vervoerd naar veldtesten.

Mobiele apparaten zoals mobiele telefoons, Wi-Fi-apparaten voor consumenten en radio's voor openbare veiligheid werken nu meestal op elektromagnetische frequenties onder 3 gigahertz (GHz) met antennes die in alle richtingen gelijk stralen. Experts voorspellen dat 5G-technologieën de datasnelheden duizendvoudig kunnen verhogen door hogere, "millimetergolf"-frequenties boven 24 GHz en zeer directionele, actief antennepatronen veranderen. Dergelijke actieve antenne-arrays helpen verliezen van deze hoogfrequente signalen tijdens transmissie te overwinnen. 5G-systemen sturen ook signalen over meerdere paden tegelijk, de zogenaamde ruimtelijke kanalen, om de snelheid te verhogen en interferentie te voorkomen.

Veel instrumenten kunnen bepaalde aspecten van directionele 5G-apparaat- en kanaalprestaties meten. Maar de meeste richten zich op het verzamelen van snelle snapshots over een beperkt frequentiebereik om een ​​algemeen overzicht van een kanaal te geven, terwijl SAMURAI een gedetailleerd portret geeft. In aanvulling, veel instrumenten zijn fysiek zo groot dat ze de transmissie en ontvangst van millimetergolfsignalen kunnen verstoren.

Beschreven op een conferentie op 7 augustus, SAMURAI zal naar verwachting helpen bij het oplossen van veel onbeantwoorde vragen over het gebruik van actieve antennes door 5G, zoals wat er gebeurt als hoge gegevenssnelheden over meerdere kanalen tegelijk worden verzonden. Het systeem zal de theorie helpen verbeteren, hardware en analysetechnieken om nauwkeurige kanaalmodellen en efficiënte netwerken te bieden.

"SAMURAI biedt een kosteneffectieve manier om veel problemen met millimetergolfmetingen te bestuderen, dus de techniek zal toegankelijk zijn voor zowel academische laboratoria als instrumentatiemetrologische laboratoria, "NIST elektronica-ingenieur Kate Remley zei. "Vanwege de traceerbaarheid naar normen, gebruikers kunnen vertrouwen hebben in de metingen. De techniek zal een beter antenneontwerp en prestatieverificatie mogelijk maken, en ondersteuning van netwerkontwerp."

SAMURAI meet signalen over een breed frequentiebereik, momenteel tot 50 GHz, komend jaar uit te breiden tot 75 GHz. Het systeem kreeg zijn naam omdat het ontvangen signalen op veel punten meet via een raster of virtueel 'synthetisch diafragma'. Dit maakt reconstructie van inkomende energie in drie dimensies mogelijk - inclusief de hoeken van de binnenkomende signalen - die door vele factoren wordt beïnvloed, zoals hoe het elektrische veld van het signaal reflecteert op objecten in het transmissiepad.

SAMURAI kan worden toegepast op een verscheidenheid aan taken, van het verifiëren van de prestaties van draadloze apparaten met actieve antennes tot het meten van reflecterende kanalen in omgevingen waar metalen voorwerpen signalen verstrooien. NIST-onderzoekers gebruiken SAMURAI momenteel om methoden te ontwikkelen voor het testen van industriële Internet of Things-apparaten op millimetergolffrequenties.

De basiscomponenten zijn twee antennes voor het verzenden en ontvangen van signalen, instrumentatie met nauwkeurige timingsynchronisatie om radio-uitzendingen te genereren en ontvangst te analyseren, en een zes-assige robotarm die de ontvangstantenne positioneert op de roosterpunten die de synthetische opening vormen. De robot zorgt voor nauwkeurige en herhaalbare antenneposities en traceert een verscheidenheid aan ontvangstpatronen in de 3D-ruimte, zoals cilindrische en halfronde vormen. Een verscheidenheid aan kleine metalen voorwerpen zoals platte platen en cilinders kan in de testopstelling worden geplaatst om gebouwen en andere reële belemmeringen voor signaaloverdracht weer te geven. Om de positienauwkeurigheid te verbeteren, een systeem van 10 camera's wordt ook gebruikt om de antennes te volgen en de locaties te meten van objecten in het kanaal die signalen verstrooien.

Het systeem is typisch bevestigd aan een optische tafel van 1,5 meter bij 4,3 meter. Maar de apparatuur is draagbaar genoeg om te worden gebruikt in mobiele veldtesten en te worden verplaatst naar andere laboratoriumomgevingen. Onderzoek naar draadloze communicatie vereist een mix van laboratoriumtests - die goed worden gecontroleerd om specifieke effecten te isoleren en systeemprestaties te verifiëren - en veldtests, die het bereik van realistische omstandigheden vastleggen.

Metingen kunnen uren duren om te voltooien, dus alle aspecten van het (stationaire) kanaal worden vastgelegd voor latere analyse. Deze waarden omvatten omgevingsfactoren zoals temperatuur en vochtigheid, locatie van verstrooiende objecten, en afwijking in nauwkeurigheid van het meetsysteem.

Het NIST-team ontwikkelde SAMURAI met medewerkers van de Colorado School of Mines in Golden, Colorado. Onderzoekers hebben de basiswerking geverifieerd en nemen nu onzekerheid op als gevolg van ongewenste reflecties van de robotarm, positiefout en antennepatronen in de metingen.