Các nhà nghiên cứu đã phát triển một bộ thu phát tiếp sóng không dây cải tiến giúp tăng cường vùng phủ sóng mạng 5G, ngay cả ở những khu vực kết nối bị cản trở.
Các nhà nghiên cứu tại Tokyo Tech đã phát triển một mảng thu phát không dây 256 phần tử mang tính đột phá cho truyền thông 5G, được thiết kế để giải quyết các thách thức như SNR thấp và tắc nghẽn tín hiệu do chướng ngại vật vật lý. Mảng này sử dụng công nghệ định hình chùm tia và chuyển đổi năng lượng tiên tiến để nâng cao chất lượng tín hiệu và mở rộng vùng phủ sóng mạng, đặc biệt là trong các môi trường không nằm trong tầm nhìn thẳng. Bằng cách đạt được những cải tiến đáng kể về hiệu suất chuyển đổi năng lượng và SNR, mảng thu phát này hứa hẹn sẽ mở rộng khả năng truy cập và độ tin cậy của 5G, do đó thúc đẩy truyền thông không dây hiệu quả và phổ biến hơn.
Các nhà khoa học tại Tokyo Tech đã thiết kế một mảng thu phát không dây 256 phần tử sáng tạo cho truyền thông 5G không theo đường ngắm. Thiết kế mới lạ này có khả năng truyền tải điện không dây hiệu quả và hiệu suất chuyển đổi điện năng cao, có thể tăng cường vùng phủ sóng mạng 5G ngay cả ở những khu vực bị chặn liên kết. Tính linh hoạt và vùng phủ sóng được tăng cường có khả năng giúp truyền thông tốc độ cao, độ trễ thấp dễ tiếp cận hơn.
Truyền thông 5G sóng milimet, sử dụng tín hiệu vô tuyến tần số cực cao (24 đến 100 GHz), là một công nghệ đầy hứa hẹn cho truyền thông không dây thế hệ tiếp theo, thể hiện tốc độ cao, độ trễ thấp và dung lượng mạng lớn. Tuy nhiên, các mạng 5G hiện tại phải đối mặt với hai thách thức chính. Thách thức đầu tiên là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp. SNR cao rất quan trọng đối với truyền thông tốt. Một thách thức khác là tắc nghẽn liên kết, tức là sự gián đoạn tín hiệu giữa máy phát và máy thu do các chướng ngại vật như tòa nhà.
Thiết kế bộ thu phát được đề xuất cho phép hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và độ lợi chuyển đổi, tăng cường vùng phủ sóng mạng 5G ngay cả ở những khu vực bị chặn liên kết. Tín dụng: Hội nghị chuyên đề vi sóng quốc tế IEEE MTT-S năm 2024
Giải pháp Beamforming và Non-Line-of-Sight
Beamforming là một kỹ thuật quan trọng cho truyền thông đường dài sử dụng sóng milimet giúp cải thiện SNR. Kỹ thuật này sử dụng một mảng cảm biến để tập trung tín hiệu vô tuyến thành một chùm hẹp theo một hướng cụ thể, tương tự như việc tập trung chùm đèn pin vào một điểm duy nhất. Tuy nhiên, nó chỉ giới hạn ở truyền thông trong tầm nhìn thẳng, trong đó máy phát và máy thu phải nằm trên một đường thẳng và tín hiệu thu được có thể bị suy giảm do chướng ngại vật. Hơn nữa, bê tông và vật liệu kính hiện đại có thể gây ra tổn thất truyền lan cao. Do đó, có nhu cầu cấp thiết về một hệ thống chuyển tiếp không trong tầm nhìn thẳng (NLoS) để mở rộng vùng phủ sóng mạng 5G, đặc biệt là trong nhà.
Để giải quyết những vấn đề này, một nhóm các nhà nghiên cứu do Phó Giáo sư Atsushi Shirane từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Liên ngành Tương lai tại Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) đứng đầu đã thiết kế một bộ thu phát tiếp sức không dây mới cho truyền thông 5G sóng milimet 28 GHz (như thể hiện trong Hình 1). Nghiên cứu của họ đã được công bố trong Biên bản Hội nghị chuyên đề Vi sóng Quốc tế IEEE MTT-S năm 2024.
Bo mạch bao gồm các diode gali arsenide, IC balun, IC chuyển mạch DPDT và IC kỹ thuật số. Mạch này tạo ra DC từ tín hiệu WPT 24GHz và chuyển đổi tín hiệu RF 28GHz xuống tín hiệu IF 4GHz đồng thời. Tín dụng: Hội nghị chuyên đề vi sóng quốc tế IEEE MTT-S năm 2024
Giải thích động lực đằng sau nghiên cứu của họ, Shirane cho biết, “Trước đây, đối với truyền thông NLoS, hai loại rơle 5G đã được khám phá: loại chủ động và loại cấp nguồn không dây. Trong khi rơle chủ động có thể duy trì SNR tốt ngay cả với một vài mảng chỉnh lưu, thì nó lại có mức tiêu thụ điện năng cao. Loại cấp nguồn không dây không yêu cầu nguồn điện chuyên dụng nhưng cần nhiều mảng chỉnh lưu để duy trì SNR do độ lợi chuyển đổi thấp và sử dụng điốt CMOS có hiệu suất chuyển đổi điện năng thấp hơn mười phần trăm. Thiết kế của chúng tôi giải quyết các vấn đề của họ trong khi sử dụng các mạch tích hợp bán dẫn (IC) có sẵn trên thị trường.”
Thông số kỹ thuật và kết quả thử nghiệm
Bộ thu phát được đề xuất bao gồm 256 mảng chỉnh lưu với truyền điện không dây 24 GHz (WPT). Các mảng này bao gồm các IC rời rạc, bao gồm điốt gali arsenide và balun, giao diện giữa các đường tín hiệu cân bằng và không cân bằng (bal–un), công tắc DPDT và IC kỹ thuật số (tham khảo Hình 2). Đáng chú ý, bộ thu phát có khả năng truyền dữ liệu và điện đồng thời, chuyển đổi tín hiệu WPT 24 GHz thành dòng điện một chiều (DC) và tạo điều kiện cho việc truyền và nhận hai chiều 28 GHz cùng lúc. Tín hiệu 24 GHz được nhận tại mỗi bộ chỉnh lưu riêng lẻ, trong khi tín hiệu 28 GHz được truyền và nhận bằng cách sử dụng định hình chùm tia. Cả hai tín hiệu có thể được nhận từ cùng một hướng hoặc các hướng khác nhau và tín hiệu 28 GHz có thể được truyền bằng phản xạ ngược với tín hiệu dẫn 24 GHz hoặc theo bất kỳ hướng nào.
Thử nghiệm cho thấy bộ thu phát được đề xuất có thể đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 54% và độ lợi chuyển đổi là -19 decibel, cao hơn so với các bộ thu phát thông thường trong khi vẫn duy trì SNR trên khoảng cách xa. Ngoài ra, nó đạt được khoảng 56 miliwatt điện năng phát ra, có thể tăng thêm nữa bằng cách tăng số lượng mảng. Điều này cũng có thể cải thiện độ phân giải của các chùm tia truyền và thu. "Bộ thu phát được đề xuất có thể góp phần triển khai mạng 5G sóng milimet ngay cả đến những nơi có liên kết bị chặn, cải thiện tính linh hoạt khi lắp đặt và vùng phủ sóng", Shirane nhận xét về những lợi ích của thiết bị của họ.
Bộ thu phát mới này sẽ làm cho mạng 5G trở nên phổ biến hơn, giúp mọi người có thể tiếp cận dịch vụ truyền thông tốc độ cao, độ trễ thấp!
Cuộc họp: Hội nghị chuyên đề vi sóng quốc tế IEEE MTT-S năm 2024
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Nội vụ và Truyền thông, Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia và Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
