Вчені розробили масив трансиверів 5G із бездротовим живленням

Дослідники розробили інноваційний релейний трансивер із бездротовим живленням, який покращує покриття мережі 5G навіть у місцях, де з’єднання перешкоджає. Вчені з Tokyo Tech розробили інноваційну 256-елементну матрицю бездротового живлення для зв’язку 5G поза межами прямої видимості. Ця нова конструкція має ефективну бездротову передачу електроенергії та високу ефективність перетворення потужності, що може покращити покриття мережі 5G навіть у зонах з блокуванням зв’язку. Розширена гнучкість і зона покриття потенційно можуть зробити високошвидкісний зв’язок із малою затримкою доступнішим.

Зв’язок 5G на міліметрових хвилях, який використовує надзвичайно високочастотні радіосигнали (від 24 до 100 ГГц), є перспективною технологією для бездротового зв’язку наступного покоління, що демонструє високу швидкість, низьку затримку та велику пропускну здатність мережі. Однак поточні мережі 5G стикаються з двома ключовими проблемами. По-перше, це низьке відношення сигнал/шум (SNR). Високий SNR має вирішальне значення для хорошого зв’язку. Іншою проблемою є блокування каналу зв’язку, що стосується порушення сигналу між передавачем і приймачем через такі перешкоди, як будівлі.

Формування променя та рішення поза прямою видимістю

Формування променя є ключовим методом для зв’язку на великій відстані за допомогою міліметрових хвиль, який покращує SNR. Ця техніка використовує ряд датчиків для фокусування радіосигналів у вузький промінь у певному напрямку, подібно до фокусування променя ліхтарика в одній точці. Однак він обмежується зв’язком у зоні прямої видимості, коли передавачі та приймачі мають бути на прямій лінії, а отриманий сигнал може погіршитися через перешкоди. Крім того, бетон і сучасні скляні матеріали можуть спричинити великі втрати при розповсюдженні. Отже, існує нагальна потреба в системі ретрансляції без прямої видимості (NLoS) для розширення покриття мережі 5G, особливо в приміщенні.

Щоб вирішити ці проблеми, команда дослідників під керівництвом доцента Ацуші Шіране з Лабораторії майбутніх міждисциплінарних досліджень науки і технологій Токійського технологічного інституту (Tokyo Tech) розробила новий релейний трансивер з бездротовим живленням для 5G міліметрового діапазону 28 ГГц. спілкування (як показано на малюнку 1). Їхнє дослідження було опубліковано в Proceedings of 2024 IEEE MTT-S International Microwave Symposium.

Пояснюючи мотивацію свого дослідження, Шіране каже: «Раніше для зв’язку NLoS досліджувалися два типи реле 5G: активний тип і тип бездротового живлення. Хоча активне реле може підтримувати хороше SNR навіть з невеликою кількістю випрямлячів, воно споживає високу потужність. Тип бездротового живлення не вимагає спеціального джерела живлення, але потребує багатьох матриць випрямлячів для підтримки SNR через низький коефіцієнт перетворення та використовує CMOS-діоди з ефективністю перетворення потужності нижче десяти відсотків. Наш дизайн вирішує їхні проблеми, використовуючи комерційно доступні напівпровідникові інтегральні схеми (ІС)».

Технічні характеристики та результати випробувань

Пропонований трансивер складається з 256 випрямних матриць з бездротовою передачею енергії (WPT) 24 ГГц. Ці масиви складаються з дискретних мікросхем, включаючи діоди з арсеніду галію, і балуни, які сполучають збалансовані та незбалансовані (bal–un) сигнальні лінії, перемикачі DPDT і цифрові мікросхеми (див. рис. 2). Примітно, що трансивер здатний одночасно передавати дані та потужність, перетворюючи сигнал WPT 24 ГГц у постійний струм (DC) і сприяючи двонаправленій передачі та прийому 28 ГГц одночасно. Сигнал 24 ГГц приймається на кожному випрямлячі окремо, тоді як сигнал 28 ГГц передається і приймається за допомогою формування променя. Обидва сигнали можуть бути отримані з одного або різних напрямків, і сигнал 28 ГГц може передаватися або зі світловідбиванням з пілотним сигналом 24 ГГц, або в будь-якому напрямку.

Тестування показало, що запропонований трансивер може досягти ефективності перетворення потужності 54% і посилення перетворення –19 децибел, що вище, ніж у звичайних трансиверів, зберігаючи SNR на великих відстанях. Крім того, він досягає близько 56 міліват генерації електроенергії, яку можна збільшити ще більше, збільшуючи кількість масивів. Це також може покращити роздільну здатність променів передачі та прийому. «Запропонований трансивер може сприяти розгортанню мережі 5G міліметрового діапазону навіть у місцях, де з’єднання заблоковано, підвищуючи гнучкість встановлення та зону покриття», — зауважує Шіране про переваги свого пристрою.

Цей новий трансивер зробить мережі 5G більш поширеними, зробивши високошвидкісний зв’язок із малою затримкою доступним для всіх!