L'uso dei dispositivi wireless sta esplodendo. Statista, un servizio di ricerca internazionale, stimato nel marzo 2019 che circa 13 miliardi di dispositivi mobili (ad es. telefoni, compresse, laptop) erano in uso in tutto il mondo, e Gartner, una società di ricerca e consulenza globale, prevede che l'Internet delle cose aumenterà tale numero a oltre 21 miliardi di dispositivi entro la fine del 2020.

L'uso diffuso di dispositivi mobili crea già una domanda significativa sul sistema cellulare che supporta tutta questa connettività wireless, soprattutto in località, come un concerto all'aperto o un palazzetto dello sport, dove un gran numero di utenti può connettersi contemporaneamente. La capacità della tecnologia cellulare dell'era attuale, o anche la proposta tecnologia 5G di prossima generazione, sarà severamente messo a dura prova per fornire l'elevata velocità di trasmissione dei dati e il raggio di comunicazione ad ampia area necessari per supportare l'escalation dell'utilizzo dei dispositivi.

La comunità delle comunicazioni ha esaminato la tecnologia full-duplex in banda (IBFD) per aumentare la capacità e il numero di dispositivi supportati consentendo ai dispositivi di trasmettere e ricevere contemporaneamente sulla stessa frequenza. Questa capacità non solo raddoppia l'efficienza dei dispositivi all'interno dello spettro di frequenza, ma riduce anche il tempo di elaborazione di un messaggio tra le modalità di invio e ricezione.

Nell'articolo "Tecnologia Full-Duplex in banda:tecniche e rilevamento dei sistemi, " pubblicato di recente in Transazioni IEEE su teoria e tecniche delle microonde , I ricercatori del MIT Lincoln Laboratory del suo RF Technology Group—Kenneth Kolodziej, Bradley Perry, e Jeffrey Herd, hanno valutato le capacità di oltre 50 sistemi IBFD rappresentativi. Hanno concluso che la tecnologia IBFD incorporata nei sistemi wireless può migliorare la capacità dei sistemi di operare nello spettro di frequenza congestionato di oggi e aumentare l'uso efficiente dello spettro.

Però, gli autori hanno avvertito che il potenziale dell'IBFD per le comunicazioni wireless può essere realizzato solo se i progettisti di sistemi sviluppano tecniche per mitigare l'autointerferenza generata dalla trasmissione e dalla ricezione simultanee sulla stessa frequenza.

I sistemi IBFD sviluppati finora sono limitati nella portata che possono raggiungere e nel numero di dispositivi che possono ospitare perché si basano su antenne che irradiano in modo omnidirezionale. Recentemente, I ricercatori del Lincoln Laboratory hanno dimostrato la tecnologia IBFD che per la prima volta può funzionare su antenne phased-array. "Gli array a fasi possono indirizzare il traffico di comunicazione verso aree mirate, ampliando così le distanze raggiunte dai segnali RF e aumentando notevolmente il numero di dispositivi che un singolo nodo può connettere, " ha detto Kolodziej.

Gestire la sfida dell'auto-interferenza

Il gruppo di ricerca, guidato da Kolodziej, Perry, e Jonathan Doane, ha affrontato il problema dell'autointerferenza attraverso una combinazione di beamforming digitale adattivo per ridurre l'accoppiamento tra i raggi dell'antenna di trasmissione e ricezione e la cancellazione digitale adattiva per rimuovere ulteriormente l'autointerferenza residua. "L'eliminazione dell'autointerferenza è particolarmente impegnativa all'interno di un phased array perché la stretta vicinanza delle antenne si traduce in livelli di interferenza più elevati, " dice Kolodziej. "Questa interferenza diventa ancora più difficile in quanto le potenze di trasmissione superano la metà di un watt perché vengono generati segnali di distorsione e rumore e devono anche essere rimossi per una corretta implementazione, " Aggiunge.

Le antenne phased array possono utilizzare il beamforming per modificare dinamicamente la forma del modello dell'antenna per focalizzare o ridurre l'energia in una direzione specifica. Per il nuovo sistema del laboratorio, il beamforming digitale di trasmissione viene utilizzato per ridurre al minimo il segnale di interferenza totale su ciascuna antenna ricevente, e ricevere il beamforming consente al sistema di ridurre al minimo l'autointerferenza accettata da ciascun trasmettitore. Nel beamforming digitale, il phased array è suddiviso in una sezione trasmittente di antenne e una adiacente sezione ricevente. Ciascuna antenna dell'array può essere assegnata a una delle due funzioni, e la dimensione e la geometria delle zone di trasmissione e ricezione possono essere modificate per supportare vari modelli di antenna e funzioni richieste dal sistema generale, pur essendo adattato alla posizione del sistema.

Anche dopo la riduzione delle interferenze fornita dal beamforming digitale, una notevole quantità di rumore, così come segnale residuo trasmesso, rimarrà nel segnale ricevuto. Le tradizionali tecniche di cancellazione digitale possono cancellare il segnale residuo trasmesso ma non possono eliminare il rumore. Risolvere questo problema, il team del Lincoln Laboratory ha accoppiato l'uscita di ciascun canale di trasmissione attivo al canale di ricezione (altrimenti inutilizzato) per quell'antenna. Quindi, utilizzando una copia di riferimento misurata della forma d'onda trasmessa, un algoritmo di cancellazione adattivo può filtrare il segnale di trasmissione, distorsione, e rumore, lasciando intatto il segnale ricevuto.

La soppressione dei segnali di trasmissione residui e del rumore estraneo migliora la ricezione dei segnali wireless dai dispositivi che operano sulla stessa frequenza, aumentando efficacemente il numero di dispositivi che possono essere supportati e la loro velocità di trasmissione dati. "Prevediamo questa operazione IBFD all'interno di un sistema phased-array come un nuovo paradigma che può portare a significativi miglioramenti delle prestazioni per i sistemi wireless di prossima generazione, "dice Doane.

Miglioramenti previsti nel servizio wireless

Attraverso valutazioni in laboratorio di come il sistema proposto dal Lincoln Laboratory si confronta con l'attuale tecnologia cellulare e i sistemi IBDF all'avanguardia, il team di ricerca stima che il sistema di antenne phased-array con capacità IBFD può supportare 100 volte più dispositivi e velocità di trasmissione dati 10 volte superiori rispetto allo standard 4G LTE (quarta generazione a lungo termine) per le comunicazioni wireless attualmente utilizzato. Inoltre, il sistema phased array può raggiungere un raggio di comunicazione esteso di 60 miglia, che è più di 2,5 volte maggiore del sistema successivo.

Poiché i sistemi di antenne phased-array utilizzano più antenne per focalizzare le radiazioni ed eseguire operazioni di beamforming, Il sistema del Lincoln Laboratory è leggermente più grande del sistema ad antenna singola previsto per la 5G NR (nuova radio di quinta generazione):1,5 piedi quadrati contro un piede quadrato. Però, entrambe le dimensioni dell'antenna dovrebbero essere accettate dalla maggior parte delle stazioni base.

"Globale, i miglioramenti significativi offerti dal sistema del Lincoln Laboratory potrebbero fornire ai futuri utenti wireless esperienze all'avanguardia che includono la connessione di più dispositivi all'interno delle loro case intelligenti e il mantenimento di velocità di trasmissione dati elevate in grandi folle, entrambi i quali sono impossibili con la tecnologia attuale, " ha detto Doan.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.