Engenheiros do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um sistema flexível, sistema de medição portátil para apoiar o projeto e testes laboratoriais repetíveis de dispositivos de comunicação sem fio de quinta geração (5G) com precisão sem precedentes em uma ampla gama de frequências de sinal e cenários.

O sistema é denominado SAMURAI, abreviação de Synthetic Aberture Measurements of Incertainty in Angle of Incidence. O sistema é o primeiro a oferecer medições sem fio 5G com precisão que pode ser rastreada até os padrões físicos fundamentais - um recurso importante porque mesmo pequenos erros podem produzir resultados enganosos. O SAMURAI também é pequeno o suficiente para ser transportado para testes de campo.

Dispositivos móveis, como telefones celulares, dispositivos Wi-Fi de consumidor e rádios de segurança pública agora operam principalmente em frequências eletromagnéticas abaixo de 3 gigahertz (GHz) com antenas que irradiam igualmente em todas as direções. Os especialistas preveem que as tecnologias 5G podem aumentar as taxas de dados em milhares de vezes usando mais, frequências de "ondas milimétricas" acima de 24 GHz e altamente direcionais, mudando ativamente os padrões da antena. Esses arranjos de antenas ativas ajudam a superar as perdas desses sinais de alta frequência durante a transmissão. Os sistemas 5G também enviam sinais por vários caminhos simultaneamente - os chamados canais espaciais - para aumentar a velocidade e superar a interferência.

Muitos instrumentos podem medir alguns aspectos do dispositivo 5G direcional e desempenho do canal. Mas a maioria se concentra na coleta de instantâneos rápidos em uma faixa de frequência limitada para fornecer uma visão geral de um canal, enquanto SAMURAI fornece um retrato detalhado. Além disso, muitos instrumentos são tão grandes fisicamente que podem distorcer a transmissão e recepção de sinais de ondas milimétricas.

Descrito em uma conferência em 7 de agosto, Espera-se que SAMURAI ajude a resolver muitas questões não respondidas em torno do uso de antenas ativas por 5G, como o que acontece quando altas taxas de dados são transmitidas em vários canais ao mesmo tempo. O sistema ajudará a melhorar a teoria, hardware e técnicas de análise para fornecer modelos de canal precisos e redes eficientes.

"SAMURAI fornece uma maneira econômica de estudar muitos problemas de medição de ondas milimétricas, portanto, a técnica estará acessível para laboratórios acadêmicos, bem como laboratórios de metrologia de instrumentação, "Disse a engenheira eletrônica do NIST, Kate Remley." Por causa de sua rastreabilidade aos padrões, os usuários podem ter confiança nas medições. A técnica permitirá um melhor projeto de antena e verificação de desempenho, e apoiar o design da rede. "

SAMURAI mede sinais em uma ampla faixa de frequência, atualmente até 50 GHz, estendendo-se para 75 GHz no próximo ano. O sistema recebeu esse nome porque mede os sinais recebidos em muitos pontos de uma grade ou "abertura sintética" virtual. Isso permite a reconstrução da energia de entrada em três dimensões - incluindo os ângulos dos sinais de chegada - que é afetada por muitos fatores, por exemplo, como o campo elétrico do sinal reflete nos objetos no caminho de transmissão.

O SAMURAI pode ser aplicado a uma variedade de tarefas, desde a verificação do desempenho de dispositivos sem fio com antenas ativas até a medição de canais reflexivos em ambientes onde objetos metálicos espalham sinais. Os pesquisadores do NIST estão usando o SAMURAI para desenvolver métodos para testar dispositivos industriais da Internet das Coisas em frequências de ondas milimétricas.

Os componentes básicos são duas antenas para transmitir e receber sinais, instrumentação com sincronização de tempo precisa para gerar transmissões de rádio e analisar recepção, e um braço robótico de seis eixos que posiciona a antena de recepção nos pontos da grade que formam a abertura sintética. O robô garante posições de antena precisas e repetíveis e traça uma variedade de padrões de recepção no espaço 3-D, como formas cilíndricas e hemisféricas. Uma variedade de pequenos objetos metálicos, como placas planas e cilindros, podem ser colocados na configuração de teste para representar edifícios e outros impedimentos do mundo real para a transmissão do sinal. Para melhorar a precisão posicional, um sistema de 10 câmeras também é usado para rastrear as antenas e medir a localização dos objetos no canal que espalham os sinais.

O sistema é normalmente conectado a uma mesa óptica medindo 1,5 metros por 4,3 metros (5 pés por 14 pés). Mas o equipamento é portátil o suficiente para ser usado em testes de campo móveis e transferido para outros ambientes de laboratório. A pesquisa de comunicações sem fio requer uma combinação de testes de laboratório - que são bem controlados para ajudar a isolar efeitos específicos e verificar o desempenho do sistema - e testes de campo, que capturam a gama de condições realistas.

As medições podem levar horas para serem concluídas, portanto, todos os aspectos do canal (estacionário) são registrados para análise posterior. Esses valores incluem fatores ambientais, como temperatura e umidade, localização de objetos espalhados, e deriva na precisão do sistema de medição.

A equipe do NIST desenvolveu o SAMURAI com colaboradores da Colorado School of Mines em Golden, Colorado. Os pesquisadores verificaram a operação básica e agora estão incorporando a incerteza devido aos reflexos indesejados do braço robótico, erro de posição e padrões de antena nas medições.