Ingenjörer vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en flexibel, bärbart mätsystem för att stödja design och repeterbara laboratorietester av femte generationens (5G) trådlösa kommunikationsenheter med oöverträffad noggrannhet över ett brett spektrum av signalfrekvenser och scenarier.

Systemet heter SAMURAI, förkortning för Synthetic Aperture Measurements of Uncertainty in Angle of Incident. Systemet är det första som erbjuder trådlösa 5G-mätningar med noggrannhet som kan spåras till grundläggande fysiska standarder – en nyckelfunktion eftersom även små fel kan ge missvisande resultat. SAMURAI är också tillräckligt liten för att kunna transporteras till fälttester.

Mobila enheter som mobiltelefoner, Wi-Fi-enheter för konsumenter och radioapparater för allmän säkerhet fungerar nu för det mesta vid elektromagnetiska frekvenser under 3 gigahertz (GHz) med antenner som strålar lika i alla riktningar. Experter förutspår att 5G-teknik kan öka datahastigheterna tusen gånger genom att använda högre, "millimetervåg"-frekvenser över 24 GHz och mycket riktade, aktivt ändra antennmönster. Sådana aktiva antennuppsättningar hjälper till att övervinna förluster av dessa högre frekvenssignaler under överföring. 5G-system skickar också signaler över flera vägar samtidigt – så kallade rumsliga kanaler – för att öka hastigheten och övervinna störningar.

Många instrument kan mäta vissa aspekter av riktad 5G-enhet och kanalprestanda. Men de flesta fokuserar på att samla in snabba ögonblicksbilder över ett begränsat frekvensområde för att ge en allmän översikt över en kanal, medan SAMURAI ger ett detaljerat porträtt. Dessutom, många instrument är så fysiskt stora att de kan förvränga sändningar och mottagning av millimetervågsignaler.

Beskrev vid en konferens den 7 augusti, SAMURAI förväntas hjälpa till att lösa många obesvarade frågor kring 5G:s användning av aktiva antenner, till exempel vad som händer när höga datahastigheter sänds över flera kanaler samtidigt. Systemet kommer att bidra till att förbättra teorin, hårdvara och analystekniker för att tillhandahålla korrekta kanalmodeller och effektiva nätverk.

"SAMURAI erbjuder ett kostnadseffektivt sätt att studera många millimetervågsmätningsfrågor, så tekniken kommer att vara tillgänglig för akademiska laboratorier såväl som instrumenteringsmetrologilabb, " NISTs elektronikingenjör Kate Remley sa. "På grund av dess spårbarhet till standarder, användare kan lita på mätningarna. Tekniken kommer att möjliggöra bättre antenndesign och prestandaverifiering, och stödja nätverksdesign."

SAMURAI mäter signaler över ett brett frekvensområde, för närvarande upp till 50 GHz, utökas till 75 GHz under det kommande året. Systemet har fått sitt namn eftersom det mäter mottagna signaler på många punkter över ett rutnät eller virtuell "syntetisk bländare". Detta möjliggör rekonstruktion av inkommande energi i tre dimensioner – inklusive vinklarna på de ankommande signalerna – vilket påverkas av många faktorer, till exempel hur signalens elektriska fält reflekteras från föremål i överföringsvägen.

SAMURAI kan användas för en mängd olika uppgifter från att verifiera prestanda hos trådlösa enheter med aktiva antenner till att mäta reflekterande kanaler i miljöer där metallföremål sprider signaler. NIST-forskare använder för närvarande SAMURAI för att utveckla metoder för att testa industriella Internet of Things-enheter vid millimetervågsfrekvenser.

De grundläggande komponenterna är två antenner för att sända och ta emot signaler, instrumentering med exakt tidssynkronisering för att generera radiosändningar och analysera mottagning, och en sexaxlig robotarm som positionerar mottagningsantennen till rutnätspunkterna som bildar den syntetiska öppningen. Roboten säkerställer exakta och repeterbara antennpositioner och spårar en mängd olika mottagningsmönster i 3D-rymden, såsom cylindriska och halvsfäriska former. En mängd olika små metallföremål som platta plattor och cylindrar kan placeras i testuppsättningen för att representera byggnader och andra verkliga hinder för signalöverföring. För att förbättra positionsnoggrannheten, ett system med 10 kameror används också för att spåra antennerna och mäta placeringen av objekt i kanalen som sprider signaler.

Systemet är vanligtvis anslutet till ett optiskt bord som mäter 5 fot gånger 14 fot (1,5 meter gånger 4,3 meter). Men utrustningen är portabel nog att användas i mobila fälttester och flyttas till andra laboratoriemiljöer. Forskning om trådlös kommunikation kräver en blandning av labbtester – som är välkontrollerade för att hjälpa till att isolera specifika effekter och verifiera systemets prestanda – och fälttester, som fångar de realistiska förhållandena.

Mätningar kan ta timmar att slutföra, så alla aspekter av den (stationära) kanalen registreras för senare analys. Dessa värden inkluderar miljöfaktorer som temperatur och luftfuktighet, placering av spridda föremål, och drift i mätsystemets noggrannhet.

NIST-teamet utvecklade SAMURAI med medarbetare från Colorado School of Mines i Golden, Colorado. Forskare har verifierat den grundläggande operationen och införlivar nu osäkerhet på grund av oönskade reflektioner från robotarmen, positionsfel och antennmönster i mätningarna.