اختراع جدید ژاپنی ‌ها محدودیت اینترنت را از بین می ‌برد

محققان ژاپنی به تازگی یک فرستنده و گیرنده رله بی سیم ساخته اند که پوشش شبکه 5G را حتی در مناطقی که اتصال اینترنت مسدود است افزایش می دهد.

گزارش کردن تنهادانشمندان در Tokyo Tech یک گیرنده بی سیم 256 عنصری برای ارتباطات 5G طراحی کرده اند. این طراحی جدید دارای انتقال انرژی بی‌سیم کارآمد و راندمان تبدیل توان بالا است که می‌تواند پوشش شبکه 5G را حتی در مناطقی که دارای انسداد پیوند هستند، گسترش دهد. افزایش انعطاف پذیری و منطقه پوشش به طور بالقوه ارتباطات با سرعت بالا و تاخیر کم را در دسترس تر می کند.

ارتباطات 5G که از سیگنال‌های رادیویی با فرکانس بسیار بالا (24 تا 100 گیگاهرتز) استفاده می‌کند، یک فناوری امیدوارکننده برای نسل بعدی ارتباطات بی‌سیم است که دارای سرعت بالا، تاخیر کم و ظرفیت شبکه بزرگ است. با این حال، شبکه های 5G فعلی با دو چالش کلیدی روبرو هستند. اولی نسبت سیگنال به نویز کم (SNR) است، SNR بالا برای ارتباط خوب بسیار مهم است. چالش دیگر انسداد لینک است که به اختلال در سیگنال بین فرستنده و گیرنده به دلیل موانعی مانند ساختمان ها اشاره دارد.

راه حل های شکل دهی پرتو و غیر خط دید

Beamforming یک تکنیک کلیدی برای مخابرات با استفاده از امواج میلی متری است که SNR را بهبود می بخشد. این تکنیک از مجموعه‌ای از حسگرها برای متمرکز کردن سیگنال‌های رادیویی در یک پرتو باریک در یک جهت خاص استفاده می‌کند، شبیه به تمرکز یک پرتو چراغ قوه روی یک نقطه. اما این تکنیک محدود به ارتباط خط دید است. جایی که فرستنده ها و گیرنده ها باید در یک خط مستقیم باشند و سیگنال دریافتی ممکن است به دلیل وجود موانع کاهش یابد. علاوه بر این، مواد بتن و شیشه مدرن می توانند باعث تلفات انتشار زیادی شوند. از این رو، نیاز فوری به یک سیستم رله غیر خط دید (NLoS) برای گسترش پوشش شبکه 5G، به ویژه در داخل ساختمان وجود دارد.

برای رسیدگی به این مسائل، گروهی از محققان به سرپرستی آتسوشی شیران از آزمایشگاه تحقیقات بین‌رشته‌ای آینده مؤسسه فناوری توکیو یک گیرنده رله بی‌سیم جدید برای موج میلی‌متری 28 گیگاهرتز 5G طراحی کردند. مطالعه آنها در مجله Proceedings of 2024 IEEE MTT-S International Microwave Symposium منتشر شد.

شیران در توضیح انگیزه مطالعه خود گفت: پیش از این دو نوع رله فعال 5G با انرژی بی سیم برای ارتباط NLoS بررسی شده است. در حالی که رله فعال می تواند یک SNR خوب را حتی با تعداد کمی آرایه یکسو کننده حفظ کند، مصرف انرژی بالایی دارد. نوع بی سیم به منبع تغذیه اختصاصی نیاز ندارد، اما به دلیل راندمان تبدیل کم، به آرایه های یکسو کننده بزرگ برای حفظ SNR نیاز دارد و از دیودهای CMOS با راندمان تبدیل توان کمتر از ده درصد استفاده می کند. طراحی ما با استفاده از مدارهای مجتمع نیمه هادی (ICs) تجاری موجود بر این مشکلات غلبه می کند.

مشخصات فنی و نتایج آزمایش

فرستنده و گیرنده پیشنهادی از 256 آرایه یکسو کننده با انتقال توان بی سیم 24 گیگاهرتز (WPT) تشکیل شده است. این آرایه ها شامل آی سی های مجزا از جمله دیودهای آرسنید گالیوم و بالون ها هستند که بین خطوط سیگنال متعادل و نامتعادل (bal-un)، سوئیچ های DPDT و آی سی های دیجیتال به هم متصل هستند. شایان ذکر است که فرستنده و گیرنده قادر به انتقال همزمان داده و توان، تبدیل سیگنال WPT 24 گیگاهرتز به جریان مستقیم (DC) و تسهیل انتقال و دریافت دو طرفه 28 گیگاهرتز هستند. سیگنال 24 گیگاهرتز در هر یکسو کننده به صورت جداگانه دریافت می شود، در حالی که سیگنال 28 گیگاهرتز با استفاده از شکل دهی پرتو ارسال و دریافت می شود. هر دو سیگنال را می توان از یک جهت یا از جهات مختلف دریافت کرد و سیگنال 28 گیگاهرتز را می توان با بازتاب برگشتی با سیگنال آزمایشی 24 گیگاهرتز یا در هر جهت ارسال کرد.

آزمایش نشان داد که فرستنده و گیرنده پیشنهادی می‌تواند بازده تبدیل توان ۵۴ درصد و بهره تبدیل منفی ۱۹۹ دسی‌بل را به دست آورد که بالاتر از فرستنده‌های گیرنده معمولی است، در حالی که می‌تواند SNR را در فواصل طولانی حفظ کند. همچنین این فرستنده و گیرنده حدود 56 مگاوات توان تولید می کند که با افزایش تعداد آرایه ها می توان آن را حتی بیشتر کرد. این فرستنده و گیرنده همچنین می تواند وضوح پرتوهای انتقال و دریافت را بهبود بخشد.

شیران درباره مزایای دستگاه خود اظهار داشت: فرستنده گیرنده پیشنهادی می تواند به استقرار شبکه 5G با موج میلیمتری حتی در مکان هایی که ارتباط مسدود است کمک کند و انعطاف پذیری نصب و منطقه تحت پوشش را بهبود بخشد.