Исследование: технология обратного рассеивания позволит использовать IoT-коммуникаторы с нулевым энергопотреблением на скоростях 5G
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 рассеивания - пассивные датчики, которые отражают, а не излучают энергию, - известны своей низкой стоимостью, простотой и работой без батарей, что делает их потенциальным ключевым фактором будущего, хотя они, как правило, обладают низкой скоростью передачи данных и высокой производительностью.
Исследователи из Технологического института Джорджии, Nokia Bell Labs и Университета Хериот-Ватт нашли недорогой способ для радиостанций с обратным рассеиванием поддерживать высокопроизводительную связь и передачу данных со скоростью 5G Гбит/с с использованием только одного транзистора, ранее для этого требовались дорогие и многоярусные 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 точка-точка и точка-многоточка. 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
"Обычно это была 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 его очень мощным, но очень дешевым, поэтому мы получаем лучшее из обоих миров".
"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 позволяет снизить энергопотребление электроники и снизить стоимость кремния", - добавил первый автор Иоаннис (Джон) Кимионис, доктор технических наук Джорджии.
Исследователи первыми использовали радиомодуль с обратным рассеиванием для передачи данных в миллиметровом диапазоне с гигабитной скоростью передачи данных, минимизируя при этом сложность внешнего интерфейса до одного высокочастотного транзистора. Их прорыв включал модуляцию, а также добавление большего интеллекта к сигналу, управляющему устройством.
"Мы сохранили тот же интерфейс RF для увеличения скорости передачи данных без добавления дополнительных транзисторов в наш модулятор, что делает его масштабируемым коммуникатором", - сказал Кимионис, добавив, что их демонстрация показала, как один миллиметровый транзистор может поддерживать широкий диапазон форматы модуляции.
Первый автор технологии Джон Кимионис
Питание множества "интеллектуальных'' 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 рассеивания 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.
Ключевой фактор низкой стоимости: аддитивное производство
Для Кимиониса прорыв в технологии обратного рассеивания 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 рассеивания. Технологический институт Джорджии является пионером в области струйной печати практически на всех материалах (бумага, пластик, стекло, гибкие / органические подложки) и был одним из первых научно-исследовательских институтов, использовавших трехмерную печать до миллиметрового диапазона частот еще в 2002 году.
