Ученые из Tokyo Tech разработали новую 256-элементную приемопередающую решетку с беспроводным питанием для связи 5G вне прямой видимости, обеспечивающую эффективную беспроводную передачу энергии и высокую эффективность преобразования мощности.
Инновационный дизайн может расширить покрытие сети 5G даже в местах с блокировкой канала, улучшая гибкость и зону покрытия и потенциально делая высокоскоростную связь с малой задержкой более доступной.
Связь 5G в миллиметровом диапазоне волн, в которой используются чрезвычайно высокочастотные радиосигналы (от 24 до 100 ГГц), является многообещающей технологией беспроводной связи нового поколения, демонстрирующей высокую скорость, низкую задержку и большую пропускную способность сети.
Однако нынешние сети 5G сталкиваются с двумя ключевыми проблемами. Первый из них — низкое отношение сигнал/шум (SNR). Высокий SNR имеет решающее значение для хорошей связи. Еще одной проблемой является блокировка линии связи, которая означает нарушение сигнала между передатчиком и приемником из-за препятствий, таких как здания.
Формирование луча — это ключевой метод связи на большие расстояния с использованием миллиметровых волн, который улучшает соотношение сигнал/шум. Этот метод использует массив датчиков для фокусировки радиосигналов в узкий луч в определенном направлении, подобно фокусировке луча фонарика в одной точке. Однако он ограничен связью в пределах прямой видимости, когда передатчики и приемники должны находиться на прямой линии, а принимаемый сигнал может ухудшиться из-за препятствий.
Кроме того, бетон и современные стеклянные материалы могут вызывать высокие потери при распространении. Следовательно, существует острая необходимость в системе ретрансляции вне прямой видимости (NLoS) для расширения покрытия сети 5G, особенно в помещениях.
Чтобы решить эти проблемы, группа исследователей под руководством доцента Ацуши Ширане из Лаборатории будущих междисциплинарных исследований науки и технологий Токийского технологического института (Tokyo Tech) разработала новый релейный приемопередатчик с беспроводным питанием для связи 5G в диапазоне миллиметровых волн 28 ГГц. Их статья опубликована в журнале IEEE Microwave and Wireless Technology Letters.
Объясняя мотивацию своего исследования, Ширане говорит: «Ранее для связи NLoS были исследованы два типа реле 5G: активный тип и тип с беспроводным питанием. При этом активное реле может поддерживать хорошее соотношение сигнал/шум даже при небольшом количестве выпрямительных массивов. , он имеет высокое энергопотребление.
«Тип с беспроводным питанием не требует выделенного источника питания, но требует множества выпрямительных массивов для поддержания отношения сигнал/шум из-за низкого коэффициента преобразования и использует КМОП-диоды с эффективностью преобразования энергии менее десяти процентов. Наша конструкция решает эти проблемы при использовании коммерчески доступных полупроводниковых интегральных схем. (ИС)».
Предлагаемый трансивер состоит из 256 выпрямительных массивов с беспроводной передачей мощности (БПЭ) на частоте 24 ГГц. Эти массивы состоят из дискретных ИС, включая арсенид-галлиевые диоды, и симметрирующих устройств, которые взаимодействуют между симметричными и несимметричными (бал-не) сигнальными линиями, переключателями DPDT и цифровыми ИС.
Примечательно, что приемопередатчик способен одновременно передавать данные и мощность, преобразовывая сигнал БПЭ 24 ГГц в постоянный ток (DC) и обеспечивая одновременную двунаправленную передачу и прием на частоте 28 ГГц.
Сигнал 24 ГГц принимается каждым выпрямителем индивидуально, а сигнал 28 ГГц передается и принимается с использованием формирования диаграммы направленности. Оба сигнала могут приниматься с одного или разных направлений, а сигнал 28 ГГц может передаваться либо с ретро-отражением пилот-сигнала 24 ГГц, либо в любом направлении.
Испытания показали, что предлагаемый трансивер может достичь эффективности преобразования мощности 54% и коэффициента усиления преобразования –19 децибел, что выше, чем у традиционных трансиверов, при сохранении отношения сигнал/шум на больших расстояниях. Кроме того, он обеспечивает выработку электроэнергии около 56 милливатт, которую можно еще больше увеличить за счет увеличения количества массивов. Это также может улучшить разрешение лучей передачи и приема.
«Предлагаемый трансивер может способствовать развертыванию сети 5G миллиметрового диапазона даже в местах, где соединение заблокировано, улучшая гибкость установки и зону покрытия», — сказал Ширане.