O uso de dispositivos sem fio está explodindo. Statista, um serviço de pesquisa internacional, estimou em março de 2019 que cerca de 13 bilhões de dispositivos móveis (por exemplo, telefones, tablets, laptops) estavam em uso em todo o mundo, e Gartner, uma empresa global de pesquisa e consultoria, prevê que a internet das coisas aumentará esse número para mais de 21 bilhões de dispositivos até o final de 2020.

O uso generalizado de dispositivos móveis já cria uma demanda significativa no sistema celular que suporta toda essa conectividade sem fio, especialmente em locais, como um concerto ao ar livre ou uma arena de esportes, onde um grande número de usuários pode se conectar simultaneamente. A capacidade da tecnologia celular da era atual, ou mesmo a tecnologia 5G de próxima geração proposta, será severamente pressionado para fornecer as altas taxas de dados e o alcance de comunicação de área ampla necessários para suportar o uso crescente do dispositivo.

A comunidade de comunicações tem buscado a tecnologia in-band full-duplex (IBFD) para aumentar a capacidade e o número de dispositivos suportados, permitindo que os dispositivos transmitam e recebam na mesma frequência ao mesmo tempo. Essa capacidade não apenas dobra a eficiência dos dispositivos dentro do espectro de frequência, mas também reduz o tempo para uma mensagem ser processada entre os modos de envio e recebimento.

No artigo "In-Band Full-Duplex Technology:Techniques and Systems Survey, "publicado recentemente em Transações IEEE em teoria e técnicas de micro-ondas , Pesquisadores do MIT Lincoln Laboratory de seu Grupo de Tecnologia de RF - Kenneth Kolodziej, Bradley Perry, e Jeffrey Herd - avaliou as capacidades de mais de 50 sistemas IBFD representativos. Eles concluíram que a tecnologia IBFD incorporada em sistemas sem fio pode melhorar a capacidade dos sistemas de operar no congestionado espectro de frequência atual e aumentar o uso eficiente do espectro.

Contudo, os autores alertaram que o potencial do IBFD para comunicações sem fio só pode ser realizado se os projetistas de sistemas desenvolverem técnicas para mitigar a autointerferência gerada pela transmissão e recepção simultâneas na mesma frequência.

Os sistemas IBFD desenvolvidos até agora são limitados no alcance que podem atingir e no número de dispositivos que podem acomodar, porque contam com antenas que irradiam omnidirecionalmente. Recentemente, Os pesquisadores do Lincoln Laboratory demonstraram a tecnologia IBFD que, pela primeira vez, pode operar em antenas phased array. "Arrays em fases podem direcionar o tráfego de comunicação para áreas específicas, expandindo assim as distâncias que os sinais de RF alcançam e aumentando significativamente o número de dispositivos que um único nó pode conectar, "Kolodziej disse.

Lidando com o desafio de autointerferência

A equipe de pesquisa, liderado por Kolodziej, Perada, e Jonathan Doane, abordou o problema de autointerferência por meio de uma combinação de formação de feixe digital adaptável para reduzir o acoplamento entre os feixes de antena de transmissão e recepção e o cancelamento digital adaptativo para remover ainda mais a autointerferência residual. "A eliminação da autointerferência é particularmente desafiadora em um phased array porque a proximidade das antenas resulta em níveis de interferência mais altos, "Kolodziej diz." Essa interferência se torna ainda mais difícil quando as potências de transmissão excedem a metade de um watt porque os sinais de distorção e ruído são gerados e também devem ser removidos para uma implementação bem-sucedida, " ele adiciona.

As antenas Phased-array podem usar beamforming para alterar dinamicamente a forma do padrão da antena para focar ou reduzir a energia em uma direção específica. Para o novo sistema do laboratório, transmitir beamforming digital é usado para minimizar o sinal de interferência total em cada antena receptora, e a formação de feixes de recepção permite que o sistema minimize a autointerferência aceita de cada transmissor. Na formação digital de feixes, o phased array é dividido em uma seção de transmissão de antenas e uma seção de recepção adjacente. Cada antena na matriz pode ser atribuída a qualquer uma das funções, e o tamanho e a geometria das zonas de transmissão e recepção podem ser modificados para suportar vários padrões de antena e funções exigidas pelo sistema geral, ao mesmo tempo em que é adaptado ao local do sistema.

Mesmo após a redução de interferência fornecida pela formação de feixe digital, uma quantidade significativa de ruído, bem como sinal residual transmitido, permanecerá no sinal recebido. As técnicas tradicionais de cancelamento digital podem cancelar o sinal residual transmitido, mas não podem eliminar o ruído. Para resolver este problema, a equipe do Lincoln Laboratory acoplou a saída de cada canal de transmissão ativo ao canal de recepção (de outra forma não utilizado) para aquela antena. Então, usando uma cópia de referência medida da forma de onda transmitida, um algoritmo de cancelamento adaptativo pode filtrar o sinal de transmissão, distorção, e barulho, deixando o sinal recebido não corrompido.

A supressão de sinais de transmissão residuais e ruídos incorridos externamente melhora a recepção de sinais sem fio de dispositivos operando na mesma frequência, aumentando efetivamente o número de dispositivos que podem ser suportados e suas taxas de dados. "Imaginamos esta operação IBFD dentro de um sistema phased-array como um novo paradigma que pode levar a melhorias significativas de desempenho para sistemas sem fio de próxima geração, "Doane diz.

Melhorias previstas no serviço sem fio

Por meio de avaliações em laboratório de como o sistema proposto do Lincoln Laboratory se compara à tecnologia celular atual e aos sistemas IBDF de última geração, a equipe de pesquisa estima que o sistema de antena phased array com capacidade IBFD pode suportar 100 vezes mais dispositivos e taxas de dados 10 vezes mais altas do que o padrão 4G LTE (evolução de quarta geração a longo prazo) usado atualmente para comunicações sem fio. Além disso, o sistema phased-array pode atingir um alcance de comunicação estendido de 60 milhas, que é mais de 2,5 vezes maior do que o próximo melhor sistema.

Como os sistemas de antenas phased array utilizam múltiplas antenas para focalizar a radiação e realizar operações de formação de feixes, O sistema do Lincoln Laboratory é ligeiramente maior do que o sistema de antena única planejado para o 5G NR (novo rádio de quinta geração) - 1,5 pés quadrados contra um pé quadrado. Contudo, qualquer tamanho de antena deve ser acomodado pela maioria das estações base.

"Geral, as melhorias significativas oferecidas pelo sistema do Lincoln Laboratory podem fornecer aos futuros usuários sem fio experiências de ponta que incluem a conexão de mais dispositivos dentro de suas casas inteligentes, bem como a manutenção de altas taxas de dados em grandes multidões, ambos impossíveis com a tecnologia atual, "Doane disse.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.