Dhjetë vjet më parë, telefonat inteligjentë zakonisht mbështetnin vetëm disa standarde që funksiononin në katër brezat e frekuencave GSM dhe ndoshta disa standarde WCDMA ose CDMA2000. Me kaq pak breza frekuencash për të zgjedhur, një shkallë e caktuar e uniformitetit global është arritur me telefonat GSM "me katër breza", të cilët përdorin brezat 850/900/1800/1900 MHz dhe mund të përdoren kudo në botë (epo, goxha shumë).
Ky është një përfitim i madh për udhëtarët dhe krijon ekonomi të mëdha në shkallë për prodhuesit e pajisjeve, të cilët duhet të nxjerrin vetëm disa modele (ose ndoshta vetëm një) për të gjithë tregun global. Me shpejtësi deri në ditët e sotme, GSM mbetet e vetmja teknologji e aksesit me valë që ofron roaming global. Meqë ra fjala, nëse nuk e dinit, GSM gradualisht po hiqet.
Çdo smartphone i denjë për emrin duhet të mbështesë aksesin 4G, 3G dhe 2G me kërkesa të ndryshme të ndërfaqes RF për sa i përket gjerësisë së brezit, fuqisë së transmetimit, ndjeshmërisë së marrësit dhe shumë parametrave të tjerë.
Për më tepër, për shkak të disponueshmërisë së fragmentuar të spektrit global, standardet 4G mbulojnë një numër të madh brezash frekuencash, kështu që operatorët mund t'i përdorin ato në çdo frekuencë të disponueshme në çdo zonë të caktuar – aktualisht 50 breza gjithsej, siç është rasti me standardet LTE1. Një "telefon botëror" i vërtetë duhet të funksionojë në të gjitha këto mjedise.
Problemi kryesor që çdo radio celulare duhet të zgjidhë është "komunikimi dupleks". Kur flasim, dëgjojmë në të njëjtën kohë. Sistemet e hershme të radios përdornin push-to-talk (disa ende e përdorin), por kur flasim në telefon, presim që personi tjetër të na ndërpresë. Pajisjet celulare të gjeneratës së parë (analoge) përdorën "filtra të dyfishtë" (ose dupleksorë) për të marrë lidhjen poshtë pa u "shtangur" duke transmetuar lidhjen lart në një frekuencë të ndryshme.
Bërja e këtyre filtrave më të vegjël dhe më të lirë ishte një sfidë e madhe për prodhuesit e hershëm të telefonave. Kur u prezantua GSM, protokolli u krijua në mënyrë që transmetuesit të mund të funksiononin në "modalitetin gjysmë dupleks".
Kjo ishte një mënyrë shumë e zgjuar për të eliminuar dyfishuesit dhe ishte një faktor kryesor për të ndihmuar GSM të bëhej një teknologji e zakonshme me kosto të ulët, e aftë për të dominuar industrinë (dhe për të ndryshuar mënyrën se si njerëzit komunikonin në proces).
Telefoni Essential nga Andy Rubin, shpikësi i sistemit operativ Android, përmban veçoritë më të fundit të lidhjes duke përfshirë Bluetooth 5.0LE, GSM/LTE të ndryshme dhe një antenë Wi-Fi të fshehur në një kornizë titani.
Fatkeqësisht, mësimet e nxjerra nga zgjidhja e problemeve teknike u harruan shpejt në luftërat tekniko-politike të ditëve të para të 3G, dhe forma aktualisht mbizotëruese e dyfishimit të ndarjes së frekuencës (FDD) kërkon një duplekser për çdo brez FDD në të cilin funksionon. Nuk ka dyshim se bumi LTE vjen me faktorë në rritje të kostos.
Ndërsa disa breza mund të përdorin Time Division Duplex, ose TDD (ku radio kalon shpejt midis transmetimit dhe marrjes), ekzistojnë më pak nga këto breza. Shumica e operatorëve (përveç atyre kryesisht aziatike) preferojnë gamën FDD, nga të cilat ka më shumë se 30.
Trashëgimia e spektrit TDD dhe FDD, vështirësia për të çliruar bandat vërtet globale dhe ardhja e 5G me më shumë breza e bëjnë problemin e dyfishtë edhe më kompleks. Metodat premtuese nën hetim përfshijnë dizajne të reja të bazuara në filtra dhe aftësinë për të eliminuar vetë-ndërhyrjen.
Kjo e fundit sjell me vete edhe mundësinë disi premtuese të dupleksit "pa fragment" (ose "dupleksit të plotë brenda brezit"). Në të ardhmen e komunikimeve celulare 5G, mund të na duhet të marrim parasysh jo vetëm FDD dhe TDD, por edhe dupleks fleksibël bazuar në këto teknologji të reja.
Studiuesit në Universitetin e Aalborg në Danimarkë kanë zhvilluar një arkitekturë "Smart Antenna Front End" (SAFE) 2-3 që përdor (shih ilustrimin në faqen 18) antena të veçanta për transmetimin dhe marrjen dhe kombinon këto antena me (performancë të ulët) në kombinim me të personalizueshme filtrim për të arritur izolimin e dëshiruar të transmetimit dhe marrjes.
Ndërsa performanca është mbresëlënëse, nevoja për dy antena është një pengesë e madhe. Ndërsa telefonat bëhen më të hollë dhe më të hijshëm, hapësira e disponueshme për antenat po bëhet gjithnjë e më e vogël.
Pajisjet celulare kërkojnë gjithashtu antena të shumta për multipleksimin hapësinor (MIMO). Telefonat celularë me arkitekturë SAFE dhe mbështetje MIMO 2×2 kërkojnë vetëm katër antena. Përveç kësaj, diapazoni i akordimit të këtyre filtrave dhe antenave është i kufizuar.
Kështu që telefonat celularë globalë do të duhet gjithashtu të përsërisin këtë arkitekturë të ndërfaqes për të mbuluar të gjitha brezat e frekuencave LTE (450 MHz deri në 3600 MHz), të cilat do të kërkojnë më shumë antena, më shumë sintonizues antenash dhe më shumë filtra, gjë që na kthen te pyetjet e bëra shpesh rreth funksionimi me shumë breza për shkak të dyfishimit të komponentëve.
Megjithëse mund të instalohen më shumë antena në një tablet ose laptop, nevojiten përparime të mëtejshme në personalizim dhe/ose miniaturizim për ta bërë këtë teknologji të përshtatshme për telefonat inteligjentë.
Dupleksi i balancuar elektrikisht është përdorur që në ditët e para të telefonisë me tela17. Në një sistem telefonik, mikrofoni dhe kufja duhet të jenë të lidhura me linjën telefonike, por të izoluara nga njëri-tjetri, në mënyrë që zëri i vetë përdoruesit të mos shurdhojë sinjalin më të dobët të hyrjes. Kjo u arrit duke përdorur transformatorë hibridë përpara ardhjes së telefonave elektronikë.
Qarku i dyfishtë i paraqitur në figurën më poshtë përdor një rezistencë të së njëjtës vlerë për të përputhur rezistencën e rezistencës së linjës së transmetimit në mënyrë që rryma nga mikrofoni të ndahet ndërsa hyn në transformator dhe të rrjedhë në drejtime të kundërta përmes spirales primare. Flukset magnetike anulohen në mënyrë efektive dhe nuk induktohet rrymë në bobinën dytësore, kështu që spiralja dytësore është e izoluar nga mikrofoni.
Megjithatë, sinjali nga mikrofoni shkon ende në linjën telefonike (megjithëse me disa humbje), dhe sinjali hyrës në linjën telefonike ende shkon te altoparlanti (gjithashtu me disa humbje), duke lejuar komunikimin e dyanshëm në të njëjtën linjë telefonike . . Teli metalik.
Një dupleks i balancuar radio është i ngjashëm me një dyfishues telefoni, por në vend të një mikrofoni, celulari dhe teli telefonik, përdoren përkatësisht një transmetues, marrës dhe antenë, siç tregohet në Figurën B.
Një mënyrë e tretë për të izoluar transmetuesin nga marrësi është eliminimi i vetë-ndërhyrjes (SI), duke zbritur sinjalin e transmetuar nga sinjali i marrë. Teknikat e bllokimit janë përdorur në radar dhe transmetim për dekada.
Për shembull, në fillim të viteve 1980, Plessy zhvilloi dhe tregtoi një produkt të bazuar në kompensim SI të quajtur "Groundsat" për të zgjeruar gamën e rrjeteve të komunikimeve ushtarake analoge gjysmë dupleks FM4-5.
Sistemi vepron si një përsëritës me një kanal të plotë dupleks, duke zgjeruar gamën efektive të radiove gjysmë dupleks që përdoren në të gjithë zonën e punës.
Kohët e fundit ka pasur interes për shtypjen e vetë-ndërhyrjes, kryesisht për shkak të prirjes drejt komunikimeve me rreze të shkurtër (celulare dhe Wi-Fi), gjë që e bën problemin e shtypjes SI më të menaxhueshme për shkak të fuqisë më të ulët të transmetimit dhe marrjes së energjisë më të lartë për përdorim konsumator . Qasja me valë dhe Aplikacionet Backhaul 6-8.
iPhone i Apple (me ndihmën e Qualcomm) ka padyshim aftësitë më të mira wireless dhe LTE në botë, duke mbështetur 16 breza LTE në një çip të vetëm. Kjo do të thotë se vetëm dy SKU duhet të prodhohen për të mbuluar tregjet GSM dhe CDMA.
Në aplikacionet e dyfishta pa ndarje të interferencave, shtypja e vetëndërhyrjes mund të përmirësojë efikasitetin e spektrit duke lejuar lidhjen lart dhe downlink të ndajnë të njëjtat burime spektri9,10. Teknikat e shtypjes së vetëndërhyrjes mund të përdoren gjithashtu për të krijuar dupleksorë të personalizuar për FDD.
Vetë anulimi zakonisht përbëhet nga disa faza. Rrjeti i drejtimit ndërmjet antenës dhe marrësit siguron nivelin e parë të ndarjes midis sinjaleve të transmetuara dhe të marra. Së dyti, përpunimi shtesë i sinjalit analog dhe dixhital përdoret për të eliminuar çdo zhurmë të brendshme të mbetur në sinjalin e marrë. Faza e parë mund të përdorë një antenë të veçantë (si në SAFE), një transformator hibrid (përshkruar më poshtë);
Problemi i antenave të shkëputura tashmë është përshkruar. Qarkulluesit janë zakonisht me brez të ngushtë sepse përdorin rezonancë ferromagnetike në kristal. Kjo teknologji hibride, ose Izolimi i Balancuar Elektrik (EBI), është një teknologji premtuese që mund të jetë me brez të gjerë dhe potencialisht të integrohet në një çip.
Siç tregohet në figurën më poshtë, dizajni i përparmë i antenës inteligjente përdor dy antena të sintonizueshme me brez të ngushtë, një për transmetim dhe një për marrjen, dhe një palë filtra dupleks me performancë më të ulët, por të sintonizueshme. Antenat individuale jo vetëm që ofrojnë njëfarë izolimi pasiv me koston e humbjes së përhapjes ndërmjet tyre, por gjithashtu kanë gjerësi bande të kufizuar (por të sintonizueshme) të menjëhershme.
Antena transmetuese funksionon në mënyrë efektive vetëm në brezin e frekuencës së transmetimit, dhe antena marrëse funksionon në mënyrë efektive vetëm në brezin e frekuencës marrëse. Në këtë rast, vetë antena vepron gjithashtu si një filtër: emetimet Tx jashtë brezit zbuten nga antena transmetuese dhe vetë-ndërhyrja në brezin Tx dobësohet nga antena marrëse.
Prandaj, arkitektura kërkon që antena të jetë e sintonizueshme, gjë që arrihet duke përdorur një rrjet akordimi antenash. Ka disa humbje të pashmangshme të futjes në një rrjet sintonizues antenash. Megjithatë, përparimet e fundit në kondensatorët e sintonizueshëm MEMS18 kanë përmirësuar ndjeshëm cilësinë e këtyre pajisjeve, duke reduktuar kështu humbjet. Humbja e futjes Rx është afërsisht 3 dB, e cila është e krahasueshme me humbjet totale të duplekserit SAW dhe çelësit.
Izolimi i bazuar në antenë plotësohet më pas nga një filtër i sintonizueshëm, i bazuar gjithashtu në kondensatorët e sintonizueshëm MEM3, për të arritur izolim 25 dB nga antena dhe izolim 25 dB nga filtri. Prototipet kanë treguar se kjo mund të arrihet.
Disa grupe kërkimore në akademi dhe industri po eksplorojnë përdorimin e hibrideve për printimin dyfish11–16. Këto skema eliminojnë në mënyrë pasive SI duke lejuar transmetimin dhe marrjen e njëkohshme nga një antenë e vetme, por duke izoluar transmetuesin dhe marrësin. Ato kanë natyrë broadband dhe mund të zbatohen në çip, duke i bërë ato një opsion tërheqës për dyfishimin e frekuencave në pajisjet mobile.
Përparimet e kohëve të fundit kanë treguar se transmetuesit FDD që përdorin EBI mund të prodhohen nga CMOS (Gjysmëpërçues i oksidit të metalit plotësues) me humbje të futjes, shifër zhurme, linearitet të marrësit dhe karakteristika të frenimit të bllokimit të përshtatshëm për aplikimet celulare11,12,13. Megjithatë, siç tregojnë shembuj të shumtë në literaturën akademike dhe shkencore, ekziston një kufizim themelor që ndikon në izolimin dupleks.
Impedanca e një antene radioje nuk është fikse, por ndryshon me frekuencën e funksionimit (për shkak të rezonancës së antenës) dhe kohën (për shkak të ndërveprimit me një mjedis në ndryshim). Kjo do të thotë që impedanca balancuese duhet të përshtatet për të gjurmuar ndryshimet e rezistencës dhe gjerësia e brezit të shkëputjes është e kufizuar për shkak të ndryshimeve në domenin e frekuencës13 (shih Figurën 1).
Puna jonë në Universitetin e Bristolit është përqendruar në hetimin dhe adresimin e këtyre kufizimeve të performancës për të demonstruar se izolimi dhe xhiroja e kërkuar e dërgimit/marrjes mund të arrihet në rastet e përdorimit të botës reale.
Për të kapërcyer luhatjet e rezistencës së antenës (të cilat ndikojnë rëndë izolimin), algoritmi ynë adaptiv gjurmon rezistencën e antenës në kohë reale dhe testimi ka treguar se performanca mund të ruhet në një sërë mjedisesh dinamike, duke përfshirë ndërveprimin e dorës së përdoruesit dhe rrugët dhe hekurudhat me shpejtësi të lartë udhëtimi.
Për më tepër, për të kapërcyer përputhjen e kufizuar të antenës në domenin e frekuencës, duke rritur kështu gjerësinë e brezit dhe izolimin e përgjithshëm, ne kombinojmë një dupleks të balancuar elektrik me shtypjen shtesë aktive SI, duke përdorur një transmetues të dytë për të gjeneruar një sinjal shtypjeje për të shtypur më tej vetë-ndërhyrjen. (shih Figurën 2).
Rezultatet nga shtrati ynë i provës janë inkurajues: kur kombinohet me EBD, teknologjia aktive mund të përmirësojë ndjeshëm izolimin e transmetimit dhe marrjes, siç tregohet në Figurën 3.
Konfigurimi ynë përfundimtar i laboratorit përdor komponentë të pajisjeve celulare me kosto të ulët (përforcues të energjisë celulare dhe antena), duke e bërë atë përfaqësues të zbatimeve të telefonave celularë. Për më tepër, matjet tona tregojnë se ky lloj i refuzimit të vetë-ndërhyrjes me dy faza mund të sigurojë izolimin e kërkuar të dyfishtë në brezat e frekuencës së lidhjes së sipërme dhe të zbritjes, edhe kur përdoren pajisje me kosto të ulët dhe komerciale.
Fuqia e sinjalit që merr një pajisje celulare në intervalin e saj maksimal duhet të jetë 12 rend magnitudë më e ulët se forca e sinjalit që transmeton. Në Time Division Duplex (TDD), qarku dupleks është thjesht një ndërprerës që lidh antenën me transmetuesin ose marrësin, kështu që dupleksi në TDD është një ndërprerës i thjeshtë. Në FDD, transmetuesi dhe marrësi funksionojnë njëkohësisht, dhe duplekseri përdor filtra për të izoluar marrësin nga sinjali i fortë i transmetuesit.
Duplekseri në pjesën e përparme celulare FDD siguron izolim >~50 dB në brezin e lidhjes së sipërme për të parandaluar mbingarkimin e marrësit me sinjale Tx dhe >~50 dB izolim në brezin e lidhjes poshtë për të parandaluar transmetimin jashtë brezit. Ndjeshmëria e reduktuar e marrësit. Në brezin Rx, humbjet në rrugët e transmetimit dhe të marrjes janë minimale.
Këto kërkesa me humbje të ulëta dhe me izolim të lartë, ku frekuencat ndahen vetëm me disa përqind, kërkojnë filtrim me Q të lartë, i cili deri më tani mund të arrihet vetëm duke përdorur pajisjet e valëve akustike sipërfaqësore (SAW) ose të valëve akustike të trupit (BAW).
Ndërsa teknologjia vazhdon të evoluojë, me përparime kryesisht për shkak të numrit të madh të pajisjeve të kërkuara, funksionimi me shumë breza nënkupton një filtër të veçantë të dyfishtë jashtë çipit për çdo brez, siç tregohet në Figurën A. Të gjithë çelësat dhe ruterët shtojnë gjithashtu funksionalitet shtesë me penalitetet e performancës dhe kompromiset.
Telefonat globalë të përballueshëm të bazuar në teknologjinë aktuale janë shumë të vështirë për t'u prodhuar. Arkitektura e radios që rezulton do të jetë shumë e madhe, me humbje dhe e shtrenjtë. Prodhuesit duhet të krijojnë variante të shumta produktesh për kombinime të ndryshme brezash të nevojshëm në rajone të ndryshme, duke e bërë të vështirë roamingun e pakufizuar global LTE. Ekonomitë e shkallës që çuan në dominimin e GSM po bëhen gjithnjë e më të vështira për t'u arritur.
Kërkesa në rritje për shërbime celulare me shpejtësi të lartë të të dhënave ka çuar në vendosjen e rrjeteve celulare 4G në 50 breza frekuencash, me edhe më shumë breza që do të vijnë pasi 5G është plotësisht i përcaktuar dhe i përhapur gjerësisht. Për shkak të kompleksitetit të ndërfaqes RF, nuk është e mundur të mbulohen të gjitha këto në një pajisje të vetme duke përdorur teknologjitë aktuale të bazuara në filtra, kështu që kërkohen qarqe RF të personalizueshme dhe të rikonfigurueshme.
Në mënyrë ideale, nevojitet një qasje e re për zgjidhjen e problemit të dyfishtë, ndoshta bazuar në filtra të sintonizueshëm ose në shtypjen e vetëndërhyrjes, ose në ndonjë kombinim të të dyjave.
Ndërsa ne nuk kemi ende një qasje të vetme që plotëson kërkesat e shumta të kostos, madhësisë, performancës dhe efikasitetit, ndoshta pjesët e enigmës do të bashkohen dhe do të jenë në xhepin tuaj pas disa vitesh.
Teknologji të tilla si EBD me shtypje SI mund të hapin mundësinë e përdorimit të së njëjtës frekuencë në të dy drejtimet njëkohësisht, gjë që mund të përmirësojë ndjeshëm efikasitetin spektral.
Koha e postimit: 24 shtator 2024