La promessa delle reti 5G Internet of Things (IoT) richiede sistemi di comunicazione più scalabili e robusti, che offrano velocità di trasmissione dati drasticamente più elevate e un consumo energetico inferiore per dispositivo.
Le radio a retrodiffusione, sensori passivi che riflettono anziché irradiare energia, sono note per il loro funzionamento a basso costo, a bassa complessità e senza batteria, che le rende un potenziale fattore chiave per questo futuro, sebbene in genere presentino basse velocità di trasmissione dati e le loro prestazioni fortemente dipende dall'ambiente circostante.
Ricercatori del Georgia Institute of Tecnologia, Nokia Bell Labs e Heriot-Watt University hanno trovato un modo economico per consentire alle radio backscatter di supportare la comunicazione ad alto throughput e il trasferimento dati Gb/sec a velocità 5G utilizzando un solo Transistor quando in precedenza richiedeva costosi e multipli transistor impilati.
Utilizzando un approccio di modulazione unico nella larghezza di banda 5G 24/28 Gigahertz (GHz), i ricercatori hanno dimostrato che questi dispositivi passivi possono trasferire dati in modo sicuro e robusto praticamente da qualsiasi ambiente.
Tradizionalmente, le comunicazioni mmWave, chiamate banda ad altissima frequenza, sono considerate "l'ultimo miglio" per la banda larga, con collegamenti wireless diretti punto-punto e punto-multipunto. Questa banda di spettro offre molti vantaggi, tra cui un'ampia larghezza di banda GHz disponibile, che consente velocità di comunicazione molto elevate, e la capacità di implementare array di antenne elettricamente grandi, consentendo capacità di beamforming su richiesta. Tuttavia, tali sistemi mmWave dipendono da componenti e sistemi ad alto costo.
La lotta per la semplicità contro il costo
In genere, era la semplicità contro il costo. Potresti fare cose molto semplici con uno Transistor o hai bisogno di più transistor per funzionalità più complesse, il che ha reso questi sistemi molto costosi Ora abbiamo migliorato la complessità, rendendolo molto potente ma a un costo molto basso, quindi stiamo ottenendo il meglio da entrambi i mondi.
La nostra innovazione è la capacità di comunicare su frequenze 5G/onde millimetriche (mmWave) senza avere effettivamente un trasmettitore radio mmWave completo: è necessario solo un singolo transistor mmWave insieme a componenti elettronici a frequenza molto più bassa, come quelli che si trovano nei telefoni cellulari o nelle apparecchiature elettroniche. WiFi dispositivi. La frequenza operativa inferiore mantiene bassi il consumo energetico dell'elettronica e il costo del silicio. Il nostro lavoro è scalabile per qualsiasi tipo di modulazione digitale e può essere applicato a qualsiasi dispositivo fisso o mobile.
I ricercatori sono i primi a utilizzare una radio backscatter per comunicazioni mmWave a velocità dati gigabit riducendo al minimo la complessità del front-end a un singolo transistor ad alta frequenza. La loro svolta ha incluso la modulazione e l'aggiunta di più intelligenza al segnale che sta guidando il dispositivo.
Abbiamo mantenuto lo stesso front-end RF per aumentare la velocità dei dati senza aggiungere più transistor al nostro modulatore, il che lo rende un comunicatore scalabile aggiungendo che la loro dimostrazione ha mostrato come un singolo transistor mmWave può supportare un'ampia gamma di formati di modulazione.
Alimentare una serie di sensori IoT "intelligenti"
La tecnologia apre una serie di applicazioni IoT 5G, inclusa la raccolta di energia, che i ricercatori di Georgia Tech hanno recentemente dimostrato utilizzando una lente Rotman specializzata che raccoglie energia elettromagnetica 5G da tutte le direzioni.
Tentzeris ha affermato che ulteriori applicazioni per la tecnologia di backscatter potrebbero includere reti di aree personali "robuste" ad alta velocità con sensori indossabili/impiantabili a potenza zero per il monitoraggio dei livelli di ossigeno o glucosio nel sangue o funzioni cardiache/EEG; sensori per la casa intelligente che monitorano la temperatura, i prodotti chimici, i gas e l'umidità; e applicazioni agricole intelligenti per rilevare il gelo sui raccolti, analizzare i nutrienti del suolo o persino monitorare il bestiame.
I ricercatori hanno sviluppato una prima prova del concetto di questa modulazione di retrodiffusione, che ha vinto il terzo premio al Nokia Bell Labs Prize 2016. All'epoca, Kimionis era un ricercatore di dottorato della Georgia Tech ECE che lavorava con Tentzeris nel laboratorio ATHENA, che fa avanzare nuove tecnologie per applicazioni elettromagnetiche, wireless, RF, a onde millimetriche e sub-terahertz.
Abilitatore chiave del basso costo: Additivo di produzione
Per Kimionis, la svolta nella tecnologia del backscatter riflette il suo obiettivo di "democratizzare le comunicazioni".
“Durante la mia carriera, ho cercato modi per rendere tutti i tipi di comunicazione più efficienti in termini di costi e più efficienti dal punto di vista energetico. Ora, poiché l'intero front-end della nostra soluzione è stato creato con una complessità così bassa, è compatibile con l'elettronica stampata. Possiamo letteralmente stampare un array di antenne mmWave in grado di supportare un trasmettitore a bassa potenza, bassa complessità e basso costo.
Tentzeris considera la stampa a prezzi accessibili cruciale per rendere redditizio il proprio mercato della tecnologia di backscattering. Georgia Tech è un pioniere nella stampa a getto d'inchiostro su praticamente ogni materiale (carta, plastica, vetro, substrati flessibili/organici) ed è stato uno dei primi istituti di ricerca a utilizzare la stampa 3D fino a intervalli di frequenza millimetrica nel 2002.