Перспективы сетей Интернета вещей 5G (IoT) требуют более масштабируемых и надежных систем связи — таких, которые обеспечивают значительно более высокую скорость передачи данных и более низкое энергопотребление на одно устройство.
Радиостанции обратного рассеяния — пассивные датчики, которые отражают, а не излучают энергию, — известны своей низкой стоимостью, низкой сложностью и работой без батарей, что делает их потенциальнj ключевым фактором будущего.
Исследователи из Технологического института Джорджии, Nokia Bell Labs и Университета Хериот-Ватт нашли недорогой способ для радиостанций с обратным рассеянием для поддержания высокопроизводительной связи и передачи данных со скоростью 5G Гбит / с с использованием только одного транзистора, когда раньше это было требовались дорогие и многоуровневые транзисторы.
Используя уникальный подход к модуляции в полосе пропускания 5G 24/28 гигагерц (ГГц), исследователи показали, что эти пассивные устройства могут безопасно и надежно передавать данные практически из любой среды. Результаты были опубликованы в начале этого месяца в журнале Nature Electronics .
Традиционно связь mmWave, называемая чрезвычайно высокочастотным диапазоном, считается «последней милей» для широкополосной связи с директивными беспроводными линиями связи. Эта полоса спектра предлагает множество преимуществ, в том числе широкую доступную полосу частот в ГГц, которая обеспечивает очень большую скорость передачи данных, и возможность реализации электрически больших антенных решеток, обеспечивающих возможности формирования диаграммы направленности по запросу. Однако такие системы mmWave зависят от дорогостоящих компонентов и систем.
Борьба за простоту против стоимости
«Простота против стоимости. Вы могли либо делать очень простые вещи с одним транзистором, либо вам требовалось несколько транзисторов для более сложных функций, что делало эти системы очень дорогими», — сказал Эммануил (Манос) Тенцерис, профессор Кена Байерса в области гибкой электроники. в Школе электротехники и компьютерной инженерии (ECE) Технологического института Джорджии. «Теперь мы увеличили сложность, сделав все очень мощным, но очень дешевым, поэтому мы получаем лучшее из обоих вариантов».
«Наш прорыв заключается в том, что мы можем передавать данные на частотах 5 ГГц / миллиметрового диапазона фактически не имея радиопередатчика полного миллиметрового диапазона — требуется только один миллиметровый транзистор вместе с гораздо более низкочастотной электроникой, такой как те, которые используются в сотовых телефонах или Wi-Fi. Более низкая рабочая частота снижает энергопотребление электроники и снижает стоимость кремния », — добавил первый автор Иоаннис (Джон) Кимионис, доктор технических наук Джорджии. работает техническим специалистом в Nokia Bell Labs. «Наша работа масштабируется для любого типа цифровой модуляции и может применяться к любому стационарному или мобильному устройству».
Исследователи первыми использовали радио с обратным рассеянием для передачи данных в миллиметровом диапазоне с гигабитной скоростью передачи данных, минимизировав при этом сложность внешнего интерфейса до одного высокочастотного транзистора. Их прорыв включал модуляцию, а также добавление большего интеллекта к сигналу, управляющему устройством.
Первый автор Джон Кимионис объясняет, что прорыв в области обратного рассеяния требует только одного миллиметрового транзистора и гораздо более низкочастотной электроники, такой как те, что используются в сотовых телефонах или устройствах Wi-Fi. Предоставлено: Джон Кимионис, Nokia Bell Labs.
Питание множества « умных » датчиков Интернета вещей
Эта технология открывает множество приложений IoT 5G, включая сбор энергии, который исследователи Технологического института Джорджии недавно продемонстрировали с помощью специальной линзы Ротмана, которая собирает электромагнитную энергию 5G со всех сторон.
Тенцерис сказал, что дополнительные приложения для технологии обратного рассеяния могут включать «прочные» высокоскоростные персональные сети с носимыми / имплантируемыми датчиками нулевого энергопотребления для мониторинга уровней кислорода или глюкозы в крови или функций сердца / ЭЭГ; датчики умного дома, контролирующие температуру, химические вещества, газы и влажность; и интеллектуальные сельскохозяйственные приложения для обнаружения заморозков на посевах, анализа питательных веществ в почве или даже отслеживания домашнего скота.
Исследователи разработали раннее доказательство концепции этой модуляции обратного рассеяния, получившее третье место на конкурсе Nokia Bell Labs Prize в 2016 году. В то время Кимионис работал докторантом в области ECE в Технологическом институте Джорджии, работая с Тенцерисом в лаборатории ATHENA, которая разрабатывает новые технологии для электромагнитных, беспроводных, радиочастотных, миллиметровых и суб-терагерцовых диапазонов.
Ключевой фактор низкой стоимости: аддитивное производство
Для Кимиониса прорыв в технологии обратного рассеяния отражает его цель «демократизировать коммуникации».
«На протяжении всей своей карьеры я искал способы сделать все виды связи более рентабельными и более энергоэффективными. Теперь, поскольку весь интерфейс нашего решения был создан с такой низкой сложностью, оно совместимо с печатной электроникой. Мы можем буквально напечатать антенную решетку mmWave, которая сможет поддерживать маломощный, простой и недорогой передатчик ».
Tentzeris считает, что доступная печать имеет решающее значение для обеспечения жизнеспособности своего рынка технологий обратного рассеяния. Технологический институт Джорджии является пионером в области струйной печати практически на всех материалах (бумаге, пластике, стекле, гибких / органических подложках) и был одним из первых научно-исследовательских институтов, использовавших трехмерную печать до миллиметрового диапазона частот еще в 2002 году.
Дополнительная информация: Джон Кимионис и др., Печатный модулятор миллиметрового диапазона и антенная решетка для связи с обратным рассеянием на гигабитных скоростях передачи данных, Nature Electronics (2021 г.). DOI: 10.1038 / s41928-021-00588-8
Иллюстрация: Печатный прототип массива mmWave для связи с обратным рассеянием данных со скоростью Гбит / с. Предоставлено: Джон Кимионис, Nokia Bell Labs.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК