De belofte van 5G Internet of Things (IoT)-netwerken vereist meer schaalbare en robuuste communicatiesystemen, systemen die drastisch hogere datasnelheden en een lager stroomverbruik per apparaat leveren.
Backscatter-radio's - passieve sensoren die energie reflecteren in plaats van uitstralen - staan bekend om hun lage kosten, lage complexiteit en batterijloze werking, waardoor ze een potentiële sleutelfactor van deze toekomst zijn, hoewel ze doorgaans lage gegevenssnelheden hebben en hun prestaties sterk hangt af van de omgeving.
Onderzoekers van het Georgia Institute of TechnologieNokia Bell Labs en Heriot-Watt University hebben een goedkope manier gevonden waarop backscatter-radio's high-throughput-communicatie en 5G-snelheid Gb/sec-gegevensoverdracht ondersteunen met slechts één enkele Transistor waar voorheen dure en meervoudig gestapelde transistoren nodig waren.
Door gebruik te maken van een unieke modulatiebenadering in de 5G 24/28 Gigahertz (GHz) bandbreedte, hebben de onderzoekers aangetoond dat deze passieve apparaten gegevens veilig en robuust kunnen overbrengen vanuit vrijwel elke omgeving.
Traditioneel wordt mmWave-communicatie, de extreem hoge frequentieband genoemd, beschouwd als "de laatste mijl" voor breedband, met directe point-to-point en point-to-multipoint draadloze verbindingen. Deze spectrumband biedt veel voordelen, waaronder een brede beschikbare GHz-bandbreedte, die zeer hoge communicatiesnelheden mogelijk maakt, en de mogelijkheid om elektrisch grote antenne-arrays te implementeren, waardoor on-demand bundelvormingscapaciteiten mogelijk zijn. Dergelijke mmWave-systemen zijn echter afhankelijk van dure componenten en systemen.
De strijd om eenvoud versus kosten
Meestal was het eenvoud tegen de kosten. Je kunt er heel eenvoudige dingen mee doen Transistor of je hebt meerdere transistors nodig voor complexere functies, waardoor deze systemen erg duur zijn. Nu hebben we de complexiteit vergroot, waardoor het zeer krachtig is maar tegen zeer lage kosten, dus we krijgen het beste van twee werelden.
Onze doorbraak is dat we kunnen communiceren via frequenties van 5G/millimetergolf (mmWave) zonder daadwerkelijk over een volledige mmWave-radiozender te beschikken. Er is slechts één enkele mmWave-transistor nodig naast elektronica met veel lagere frequentie, zoals die in mobiele telefoons of mobiele telefoons. WiFi apparaten. Een lagere bedrijfsfrequentie houdt het stroomverbruik van de elektronica en de siliciumkosten laag. Ons werk is schaalbaar voor elk type digitale modulatie en kan worden toegepast op elk vast of mobiel apparaat.
De onderzoekers zijn de eersten die een backscatter-radio gebruiken voor mmWave-communicatie met gigabit-datasnelheid, terwijl de complexiteit aan de voorkant tot een enkele hoogfrequente transistor wordt geminimaliseerd. Hun doorbraak omvatte zowel de modulatie als het toevoegen van meer intelligentie aan het signaal dat het apparaat aanstuurt.
We hebben dezelfde RF-front-end behouden voor het opschalen van de datasnelheid zonder meer transistors aan onze modulator toe te voegen, waardoor het een schaalbare communicator is en hun demonstratie liet zien hoe een enkele mmWave-transistor een breed scala aan modulatie-indelingen kan ondersteunen.
Een groot aantal 'slimme' IoT-sensoren aandrijven
De technologie opent een groot aantal IoT 5G-toepassingen, waaronder het oogsten van energie, wat onderzoekers van Georgia Tech onlangs hebben aangetoond met behulp van een gespecialiseerde Rotman-lens die 5G-elektromagnetische energie uit alle richtingen verzamelt.
Tentzeris zei dat aanvullende toepassingen voor de backscatter-technologie "robuuste" hogesnelheidsnetwerken kunnen zijn met draagbare/implanteerbare sensoren met nulvermogen voor het bewaken van zuurstof- of glucosespiegels in het bloed of hart-/EEG-functies; slimme huissensoren die temperatuur, chemicaliën, gassen en vochtigheid bewaken; en slimme landbouwtoepassingen voor het detecteren van vorst op gewassen, het analyseren van bodemvoedingsstoffen of zelfs het volgen van vee.
De onderzoekers ontwikkelden een vroege proof-of-concept van deze backscatter-modulatie, die de derde prijs won bij de 2016 Nokia Bell Labs Prize. Destijds was Kimionis een Georgia Tech ECE-doctoraal onderzoeker die samenwerkte met Tentzeris in het ATHENA-lab, dat nieuwe technologieën ontwikkelt voor elektromagnetische, draadloze, RF-, millimetergolf- en sub-terahertz-toepassingen.
Belangrijkste katalysator van lage kosten: Additive Manufacturing
Voor Kimionis weerspiegelt de doorbraak van backscatter-technologie zijn doel om 'communicatie te democratiseren'.
“Gedurende mijn carrière heb ik gezocht naar manieren om alle soorten communicatie kostenefficiënter en energiezuiniger te maken. Omdat de hele voorkant van onze oplossing met zo'n lage complexiteit is gemaakt, is deze compatibel met gedrukte elektronica. We kunnen letterlijk een mmWave-antennearray printen die een zender met laag vermogen, lage complexiteit en lage kosten kan ondersteunen.”
Tentzeris beschouwt betaalbaar printen als cruciaal om hun markt voor backscattering-technologie levensvatbaar te maken. Georgia Tech is een pionier op het gebied van inkjetprinten op vrijwel elk materiaal (papier, plastic, glas, flexibele/organische substraten) en was een van de eerste onderzoeksinstituten die in 3 2002D-printen gebruikte tot millimeterfrequentiebereiken.