El uso de dispositivos inalámbricos está en auge. Statista, un servicio de investigación internacional, estimado en marzo de 2019 que aproximadamente 13 mil millones de dispositivos móviles (por ejemplo, Los telefonos, tabletas, portátiles) estaban en uso en todo el mundo, y Gartner, una firma global de investigación y asesoría, predice que Internet de las cosas aumentará ese número a más de 21 mil millones de dispositivos para fines de 2020.

El uso generalizado de dispositivos móviles ya crea una demanda significativa en el sistema celular que soporta toda esta conectividad inalámbrica, especialmente en ubicaciones, como un concierto al aire libre o un estadio deportivo, donde un gran número de usuarios pueden conectarse simultáneamente. La capacidad de la tecnología celular de la era actual, o incluso la tecnología 5G de próxima generación propuesta, se verá muy afectada para proporcionar las altas velocidades de datos y el rango de comunicación de área amplia necesarios para soportar el uso cada vez mayor del dispositivo.

La comunidad de comunicaciones ha estado buscando la tecnología de dúplex completo en banda (IBFD) para aumentar la capacidad y la cantidad de dispositivos compatibles al permitir que los dispositivos transmitan y reciban en la misma frecuencia al mismo tiempo. Esta capacidad no solo duplica la eficiencia de los dispositivos dentro del espectro de frecuencias, pero también reduce el tiempo de procesamiento de un mensaje entre los modos de envío y recepción.

En el artículo "In-Band Full-Duplex Technology:Techniques and Systems Survey, "publicado recientemente en Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas , Investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT de su Grupo de Tecnología de RF:Kenneth Kolodziej, Bradley Perry, y Jeffrey Herd:evaluaron las capacidades de más de 50 sistemas IBFD representativos. Llegaron a la conclusión de que la tecnología IBFD incorporada en los sistemas inalámbricos puede mejorar la capacidad de los sistemas para operar en el espectro de frecuencias congestionado actual y aumentar el uso eficiente del espectro.

Sin embargo, los autores advirtieron que el potencial de IBFD para las comunicaciones inalámbricas solo puede realizarse si los diseñadores de sistemas desarrollan técnicas para mitigar la autointerferencia generada al transmitir y recibir simultáneamente en la misma frecuencia.

Los sistemas IBFD desarrollados hasta ahora están limitados en el rango que pueden lograr y la cantidad de dispositivos que pueden acomodar porque se basan en antenas que irradian omnidireccionalmente. Recientemente, Los investigadores del Laboratorio Lincoln han demostrado la tecnología IBFD que, por primera vez, puede funcionar con antenas en fase. "Los arreglos en fase pueden dirigir el tráfico de comunicaciones a áreas específicas, expandiendo así las distancias que alcanzan las señales de RF y aumentando significativamente la cantidad de dispositivos que un solo nodo puede conectar, "Dijo Kolodziej.

Manejando el desafío de la autointerferencia

El equipo de investigación dirigido por Kolodziej, Sidra de pera, y Jonathan Doane, abordó el problema de la autointerferencia mediante una combinación de formación de haz digital adaptable para reducir el acoplamiento entre los haces de antena de transmisión y recepción y la cancelación digital adaptable para eliminar aún más la autointerferencia residual. "La eliminación de la autointerferencia es particularmente desafiante dentro de una matriz en fase porque la proximidad cercana de las antenas da como resultado niveles de interferencia más altos, Kolodziej dice. "Esta interferencia se vuelve aún más difícil ya que las potencias de transmisión exceden la mitad de un vatio porque se generan señales de distorsión y ruido y también deben eliminarse para una implementación exitosa, " él añade.

Las antenas de matriz en fase pueden utilizar la formación de haces para cambiar dinámicamente la forma del patrón de antena para enfocar o reducir la energía en una dirección específica. Para el novedoso sistema del laboratorio, La formación de haz digital de transmisión se utiliza para minimizar la señal de interferencia total en cada antena receptora, y la formación de haces de recepción permite que el sistema minimice la autointerferencia aceptada de cada transmisor. En la formación de haz digital, la red en fase se divide en una sección de transmisión de antenas y una sección de recepción adyacente. Cada antena de la matriz puede asignarse a cualquiera de las funciones, y el tamaño y la geometría de las zonas de transmisión y recepción se pueden modificar para admitir varios patrones de antena y funciones requeridas por el sistema en general, al mismo tiempo que se adapta a la ubicación del sistema.

Incluso después de la reducción de interferencia proporcionada por la formación de haz digital, una cantidad significativa de ruido, así como la señal residual transmitida, permanecerá en la señal recibida. Las técnicas tradicionales de cancelación digital pueden cancelar la señal transmitida residual pero no pueden eliminar el ruido. Para resolver este problema, el equipo del Laboratorio Lincoln acopló la salida de cada canal de transmisión activo al canal de recepción (de otra manera no utilizado) para esa antena. Luego, utilizando una copia de referencia medida de la forma de onda transmitida, un algoritmo de cancelación adaptativo puede filtrar la señal de transmisión, distorsión, y ruido, dejando la señal recibida incorrupta.

La supresión de las señales de transmisión residuales y el ruido generado de forma extraña mejora la recepción de señales inalámbricas de dispositivos que operan en la misma frecuencia, aumentando de manera efectiva la cantidad de dispositivos que se pueden admitir y sus velocidades de datos. "Visualizamos esta operación IBFD dentro de un sistema de matriz en fase como un paradigma novedoso que puede conducir a mejoras significativas en el rendimiento de los sistemas inalámbricos de próxima generación, "Dice Doane.

Mejoras previstas en el servicio inalámbrico

A través de evaluaciones en el laboratorio de cómo se compara el sistema propuesto por el Laboratorio Lincoln con la tecnología celular actual y los sistemas IBDF de última generación, el equipo de investigación estima que el sistema de antenas en fase con capacidad IBFD puede admitir 100 veces más dispositivos y 10 veces más velocidades de datos que el estándar 4G LTE (cuarta generación de evolución a largo plazo) que se utiliza actualmente para comunicaciones inalámbricas. Es más, el sistema phased-array puede alcanzar un rango de comunicación extendido de 60 millas, que es más de 2,5 veces mayor que el siguiente mejor sistema.

Debido a que los sistemas de antenas de arreglo en fase utilizan múltiples antenas para enfocar la radiación y realizar operaciones de formación de haces, El sistema de Lincoln Laboratory es un poco más grande que el sistema de antena única planeado para el 5G NR (nueva radio de quinta generación):1,5 pies cuadrados frente a un pie cuadrado. Sin embargo, la mayoría de las estaciones base deben adaptarse a cualquier tamaño de antena.

"En general, las mejoras significativas que ofrece el sistema de Lincoln Laboratory podrían proporcionar a los futuros usuarios inalámbricos experiencias de vanguardia que incluyen la conexión de más dispositivos dentro de sus hogares inteligentes, así como el mantenimiento de altas velocidades de datos en grandes multitudes, Ambos son imposibles con la tecnología actual, "Dijo Doane.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.