Användningen av trådlösa enheter exploderar. Statista, en internationell forskningstjänst, uppskattade i mars 2019 att ungefär 13 miljarder mobila enheter (t.ex. telefoner, tabletter, bärbara datorer) användes över hela världen, och Gartner, ett globalt forsknings- och rådgivningsföretag, förutspår att internet of things kommer att öka den siffran till mer än 21 miljarder enheter i slutet av 2020.

Den utbredda användningen av mobila enheter skapar redan betydande efterfrågan på det cellulära systemet som stöder all denna trådlösa anslutning, speciellt på platser, som en utomhuskonsert eller en sportarena, där ett stort antal användare kan ansluta samtidigt. Förmågan hos dagens cellulära teknik, eller till och med den föreslagna nästa generations 5G-teknik, kommer att vara hårt ansträngda för att tillhandahålla de höga datahastigheter och breda kommunikationsräckvidden som behövs för att stödja den eskalerande enhetensanvändningen.

Kommunikationsgemenskapen har tittat på in-band full-duplex (IBFD)-teknik för att öka kapaciteten och antalet enheter som stöds genom att tillåta enheterna att sända och ta emot på samma frekvens samtidigt. Denna förmåga fördubblar inte bara enheternas effektivitet inom frekvensspektrumet, men minskar också tiden för ett meddelande att behandlas mellan sändnings- och mottagningslägen.

I artikeln "In-Band Full-Duplex Technology:Techniques and Systems Survey, " publicerades nyligen i IEEE-transaktioner om mikrovågsteori och -tekniker , MIT Lincoln Laboratory forskare från dess RF Technology Group—Kenneth Kolodziej, Bradley Perry, och Jeffrey Herd—bedömde kapaciteten hos mer än 50 representativa IBFD-system. De drog slutsatsen att IBFD-teknik införlivad i trådlösa system kan förbättra systemens förmåga att fungera i dagens överbelastade frekvensspektrum och öka den effektiva användningen av spektrumet.

Dock, författarna varnade för att IBFD:s potential för trådlös kommunikation bara kan realiseras om systemdesigners utvecklar tekniker för att mildra självinterferensen som genereras genom att samtidigt sända och ta emot på samma frekvens.

De hittills utvecklade IBFD-systemen är begränsade i det räckvidd de kan uppnå och antalet enheter de kan ta emot eftersom de är beroende av antenner som strålar rundstrålande. Nyligen, Forskare från Lincoln Laboratory har visat IBFD-teknik som för första gången kan fungera på fasstyrda antenner. "Phased arrays kan dirigera kommunikationstrafik till riktade områden, därigenom utöka avstånden som RF -signalerna når och avsevärt öka antalet enheter som en enda nod kan ansluta, " sa Kolodziej.

Hantera självinblandningsutmaningen

Forskargruppen, ledd av Kolodziej, Päronvin, och Jonathan Doane, åtgärdade självstörningsproblemet genom en kombination av adaptiv digital strålformning för att minska kopplingen mellan sändnings- och mottagningsantennstrålar och adaptiv digital utsläckning för att ytterligare ta bort den kvarvarande självstörningen. "Självstörningselimineringen är särskilt utmanande inom en fasad array eftersom antennernas närhet resulterar i högre störningsnivåer, " säger Kolodziej. "Denna störning blir ännu svårare eftersom sändningseffekterna överstiger en halv watt eftersom distorsions- och brussignaler genereras och måste också tas bort för framgångsrik implementering, " han lägger till.

Phased-array-antenner kan använda strålformning för att dynamiskt ändra formen på antennmönstret för att antingen fokusera eller minska energi i en specifik riktning. För laboratoriets nya system, sända digital strålformning används för att minimera den totala interferenssignalen vid varje mottagande antenn, och mottagningsstrålformning gör det möjligt för systemet att minimera den självstörning som accepteras från varje sändare. I den digitala strålformningen, den fasstyrda uppsättningen är uppdelad i en sändande sektion av antenner och en intilliggande mottagningssektion. Varje antenn i arrayen kan tilldelas endera funktionen, och storleken och geometrin för sändnings- och mottagningszonerna kan modifieras för att stödja olika antennmönster och funktioner som krävs av det övergripande systemet, samtidigt som den är skräddarsydd för systemplatsen.

Även efter störningsreduktionen som tillhandahålls av digital strålformning, en betydande mängd buller, såväl som kvarvarande sänd signal, kommer att finnas kvar i den mottagna signalen. Traditionella digitala utsläckningstekniker kan ta bort den kvarvarande sända signalen men kan inte eliminera brus. För att lösa det här problemet, Lincoln Laboratory-teamet kopplade utgången från varje aktiv sändningskanal till den (annars oanvända) mottagningskanalen för den antennen. Sedan, genom att använda en uppmätt referenskopia av den överförda vågformen, en adaptiv annulleringsalgoritm kan filtrera bort sändningssignalen, förvrängning, och buller, lämnar den oförstörda mottagna signalen.

Att dämpa kvarvarande sändningssignaler och främmande brus förbättrar mottagningen av trådlösa signaler från enheter som arbetar på samma frekvens, effektivt öka antalet enheter som kan stödjas och deras datahastigheter. "Vi ser för oss denna IBFD-operation inom ett fasmatrisystem som ett nytt paradigm som kan leda till betydande prestandaförbättringar för nästa generations trådlösa system, " säger Doane.

Förutspådda förbättringar av trådlösa tjänster

Genom laboratoriebedömningar av hur Lincoln Laboratorys föreslagna system kan jämföras med nuvarande cellulär teknik och toppmoderna IBDF-system, forskargruppen uppskattar att det fasstyrda antennsystemet med IBFD-kapacitet kan stödja 100 gånger fler enheter och 10 gånger högre datahastigheter än den för närvarande använda 4G LTE-standarden (fjärde generationens långsiktiga utveckling) för trådlös kommunikation. Dessutom, det fasade systemet kan uppnå ett utökat kommunikationsintervall på 60 miles, vilket är mer än 2,5 gånger större än det näst bästa systemet.

Eftersom fasstyrda antennsystem använder flera antenner för att fokusera strålning och utföra strålformningsoperationer, Lincoln Laboratorys system är något större än det enantennsystem som planerats för 5G NR (femte generationens nya radio) — 1,5 kvadratfot mot en kvadratfot. Dock, endera antennstorleken bör rymmas av de flesta basstationer.

"Övergripande, de betydande förbättringarna som erbjuds av Lincoln Laboratorys system kan ge framtida trådlösa användare banbrytande upplevelser som inkluderar att ansluta fler enheter i sina smarta hem samt att upprätthålla höga datahastigheter i stora folkmassor, båda är omöjliga med nuvarande teknik, sa Doane.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.