Das Versprechen von 5G Internet of Things (IoT)-Netzwerken erfordert skalierbarere und robustere Kommunikationssysteme – solche, die drastisch höhere Datenraten und einen geringeren Stromverbrauch pro Gerät liefern.
Backscatter-Funkgeräte – passive Sensoren, die Energie eher reflektieren als abstrahlen – sind für ihren kostengünstigen, geringen Komplexitäts- und batterielosen Betrieb bekannt, was sie zu einem potenziellen Schlüssel für diese Zukunft macht, obwohl sie typischerweise niedrige Datenraten und eine starke Leistung aufweisen hängt von der Umgebung ab.
Forscher am Georgia Institute of Technologie, Nokia Bell Labs und die Heriot-Watt University haben einen kostengünstigen Weg für Backscatter-Funkgeräte gefunden, um Kommunikation mit hohem Durchsatz und Datenübertragung mit 5G-Geschwindigkeit Gbit/s mit nur einem einzigen Gerät zu unterstützen Transistor als es zuvor teure und mehrfach gestapelte Transistoren erforderte.
Mit einem einzigartigen Modulationsansatz in der Bandbreite von 5G 24/28 Gigahertz (GHz) haben die Forscher gezeigt, dass diese passiven Geräte Daten aus praktisch jeder Umgebung sicher und robust übertragen können.
Traditionell gilt die mmWave-Kommunikation, das sogenannte extrem hohe Frequenzband, als „die letzte Meile“ für Breitband mit direktiven Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Funkverbindungen. Dieses Spektrum bietet viele Vorteile, einschließlich einer breiten verfügbaren GHz-Bandbreite, die sehr hohe Kommunikationsraten ermöglicht, und die Fähigkeit, elektrisch große Antennenarrays zu implementieren, die Beamforming-Fähigkeiten nach Bedarf ermöglichen. Solche mmWave-Systeme sind jedoch auf teure Komponenten und Systeme angewiesen.
Der Kampf um Einfachheit versus Kosten
Typischerweise war es Einfachheit gegen Kosten. Du könntest entweder ganz einfache Dinge mit einem machen Transistor oder Sie benötigen mehrere Transistoren für komplexere Funktionen, wodurch diese Systeme sehr teuer wurden. Jetzt haben wir die Komplexität erhöht, sodass sie sehr leistungsstark und gleichzeitig sehr kostengünstig sind, sodass wir das Beste aus beiden Welten herausholen.
Unser Durchbruch besteht darin, über 5G/Millimeterwellenfrequenzen (mmWave) kommunizieren zu können, ohne tatsächlich über einen vollständigen mmWave-Funksender zu verfügen – es wird nur ein einziger mmWave-Transistor zusammen mit viel niederfrequenter Elektronik benötigt, wie sie beispielsweise in Mobiltelefonen zu finden ist W-Lan Geräte. Eine niedrigere Betriebsfrequenz hält den Stromverbrauch der Elektronik und die Siliziumkosten niedrig. Unsere Arbeit ist für jede Art digitaler Modulation skalierbar und kann auf jedem festen oder mobilen Gerät angewendet werden.
Die Forscher sind die ersten, die ein Backscatter-Funkgerät für die mmWave-Kommunikation mit Gigabit-Datenraten verwenden und gleichzeitig die Front-End-Komplexität auf einen einzigen Hochfrequenztransistor minimieren. Ihr Durchbruch beinhaltete die Modulation sowie das Hinzufügen von mehr Intelligenz zum Signal, das das Gerät antreibt.
Wir haben das gleiche HF-Front-End zum Hochskalieren der Datenrate beibehalten, ohne unserem Modulator weitere Transistoren hinzuzufügen, was ihn zu einem skalierbaren Kommunikator macht und fügt hinzu, dass ihre Demonstration gezeigt hat, wie ein einzelner mmWave-Transistor eine Vielzahl von Modulationsformaten unterstützen kann.
Stromversorgung einer Vielzahl von „intelligenten“ IoT-Sensoren
Die Technologie eröffnet eine Vielzahl von IoT-5G-Anwendungen, einschließlich Energy Harvesting, das Forscher von Georgia Tech kürzlich mit einer speziellen Rotman-Linse demonstrierten, die elektromagnetische 5G-Energie aus allen Richtungen sammelt.
Tentzeris sagte, dass zusätzliche Anwendungen für die Backscatter-Technologie „robuste“ Hochgeschwindigkeits-Personal Area Networks mit stromlosen tragbaren/implantierbaren Sensoren zur Überwachung des Sauerstoff- oder Glukosespiegels im Blut oder der Herz-/EEG-Funktionen umfassen könnten; Smart-Home-Sensoren, die Temperatur, Chemikalien, Gase und Feuchtigkeit überwachen; und intelligente landwirtschaftliche Anwendungen zur Erkennung von Frost auf Pflanzen, zur Analyse von Bodennährstoffen oder sogar zur Verfolgung von Nutztieren.
Die Forscher entwickelten einen frühen Konzeptnachweis für diese Rückstreumodulation, der beim Nokia Bell Labs Prize 2016 den dritten Preis gewann. Zu dieser Zeit war Kimionis Doktorand der Georgia Tech ECE und arbeitete mit Tentzeris im ATHENA-Labor zusammen, das neuartige Technologien für elektromagnetische, drahtlose, HF-, Millimeterwellen- und Sub-Terahertz-Anwendungen vorantreibt.
Schlüsselfaktor für niedrige Kosten: Additive Fertigung
Für Kimionis spiegelt der Durchbruch der Backscatter-Technologie sein Ziel wider, „die Kommunikation zu demokratisieren“.
„Während meiner Karriere habe ich nach Wegen gesucht, alle Arten der Kommunikation kosteneffizienter und energieeffizienter zu gestalten. Da das gesamte Frontend unserer Lösung mit so geringer Komplexität erstellt wurde, ist es mit gedruckter Elektronik kompatibel. Wir können buchstäblich ein mmWave-Antennen-Array drucken, das einen Low-Power-, Low-Complexity- und Low-Cost-Sender unterstützt.“
Tentzeris hält bezahlbares Drucken für entscheidend, um seinen Markt für Rückstreutechnologie zukunftsfähig zu machen. Georgia Tech ist ein Pionier im Inkjet-Druck auf nahezu jedem Material (Papier, Kunststoff, Glas, flexible/organische Substrate) und hat bereits 3 als eines der ersten Forschungsinstitute 2002D-Druck bis in Millimeter-Frequenzbereiche eingesetzt.