Gli ingegneri del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un flessibile, sistema di misurazione portatile per supportare la progettazione e test di laboratorio ripetibili di dispositivi di comunicazione wireless di quinta generazione (5G) con una precisione senza precedenti in un'ampia gamma di frequenze e scenari di segnale.

Il sistema si chiama SAMURAI, abbreviazione di misure di apertura sintetica dell'incertezza nell'angolo di incidenza. Il sistema è il primo a offrire misurazioni wireless 5G con un'accuratezza che può essere ricondotta a standard fisici fondamentali, una caratteristica fondamentale perché anche piccoli errori possono produrre risultati fuorvianti. SAMURAI è anche abbastanza piccolo da essere trasportato ai test sul campo.

Dispositivi mobili come cellulari, i dispositivi Wi-Fi dei consumatori e le radio di pubblica sicurezza ora funzionano principalmente a frequenze elettromagnetiche inferiori a 3 gigahertz (GHz) con antenne che si irradiano allo stesso modo in tutte le direzioni. Gli esperti prevedono che le tecnologie 5G potrebbero aumentare di mille volte la velocità dei dati utilizzando frequenze "onde millimetriche" superiori a 24 GHz e altamente direzionali, cambiando attivamente i modelli di antenna. Tali array di antenne attive aiutano a superare le perdite di questi segnali a frequenza più elevata durante la trasmissione. I sistemi 5G inviano anche segnali su più percorsi contemporaneamente, i cosiddetti canali spaziali, per aumentare la velocità e superare le interferenze.

Molti strumenti possono misurare alcuni aspetti del dispositivo 5G direzionale e le prestazioni del canale. Ma la maggior parte si concentra sulla raccolta di istantanee rapide su una gamma di frequenze limitata per fornire una panoramica generale di un canale, mentre SAMURAI fornisce un ritratto dettagliato. Inoltre, molti strumenti sono così grandi fisicamente da poter distorcere la trasmissione e la ricezione del segnale a onde millimetriche.

Descritto in una conferenza il 7 agosto, SAMURAI dovrebbe aiutare a risolvere molte domande senza risposta sull'uso di antenne attive da parte del 5G, come ciò che accade quando vengono trasmessi dati ad alta velocità su più canali contemporaneamente. Il sistema aiuterà a migliorare la teoria, hardware e tecniche di analisi per fornire modelli di canale accurati e reti efficienti.

"SAMURAI fornisce un modo conveniente per studiare molti problemi di misurazione delle onde millimetriche, quindi la tecnica sarà accessibile ai laboratori accademici e ai laboratori di metrologia strumentale, " L'ingegnere elettronico del NIST Kate Remley ha detto. "A causa della sua tracciabilità agli standard, gli utenti possono avere fiducia nelle misurazioni. La tecnica consentirà una migliore progettazione dell'antenna e verifica delle prestazioni, e supportare la progettazione della rete."

SAMURAI misura i segnali in un'ampia gamma di frequenze, attualmente fino a 50 GHz, estendersi a 75 GHz nel prossimo anno. Il sistema ha preso il nome perché misura i segnali ricevuti in molti punti su una griglia o "apertura sintetica" virtuale. Ciò consente la ricostruzione dell'energia in ingresso in tre dimensioni, compresi gli angoli dei segnali in arrivo, che è influenzata da molti fattori, come il modo in cui il campo elettrico del segnale si riflette sugli oggetti nel percorso di trasmissione.

SAMURAI può essere applicato a una varietà di attività, dalla verifica delle prestazioni dei dispositivi wireless con antenne attive alla misurazione dei canali riflettenti in ambienti in cui gli oggetti metallici diffondono i segnali. I ricercatori del NIST stanno attualmente utilizzando SAMURAI per sviluppare metodi per testare dispositivi industriali dell'Internet of Things a frequenze di onde millimetriche.

I componenti di base sono due antenne per trasmettere e ricevere segnali, strumentazione con sincronizzazione temporale precisa per generare trasmissioni radio e analizzare la ricezione, e un braccio robotico a sei assi che posiziona l'antenna di ricezione sui punti della griglia che formano l'apertura sintetica. Il robot garantisce posizioni dell'antenna accurate e ripetibili e traccia una varietà di modelli di ricezione nello spazio 3D, come forme cilindriche ed emisferiche. Una varietà di piccoli oggetti metallici come piastre piatte e cilindri possono essere posizionati nella configurazione di prova per rappresentare edifici e altri impedimenti del mondo reale alla trasmissione del segnale. Per migliorare la precisione della posizione, un sistema di 10 telecamere viene utilizzato anche per tracciare le antenne e misurare la posizione degli oggetti nel canale che diffondono i segnali.

Il sistema è in genere collegato a un tavolo ottico che misura 5 piedi per 14 piedi (1,5 metri per 4,3 metri). Ma l'attrezzatura è abbastanza portatile da essere utilizzata nei test sul campo mobile e spostata in altre impostazioni di laboratorio. La ricerca sulle comunicazioni wireless richiede un mix di test di laboratorio, che sono ben controllati per aiutare a isolare effetti specifici e verificare le prestazioni del sistema, e test sul campo, che catturano la gamma di condizioni realistiche.

Le misurazioni possono richiedere ore per essere completate, quindi tutti gli aspetti del canale (stazionario) vengono registrati per un'analisi successiva. Questi valori includono fattori ambientali come temperatura e umidità, posizione di oggetti sparsi, e deriva nella precisione del sistema di misura.

Il team del NIST ha sviluppato SAMURAI con i collaboratori della Colorado School of Mines a Golden, Colorado. I ricercatori hanno verificato l'operazione di base e ora stanno incorporando l'incertezza dovuta a riflessioni indesiderate dal braccio robotico, errore di posizione e modelli di antenna nelle misurazioni.