นักวิทยาศาสตร์พัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณสลับลำแสงเร็วใหม่

นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันโตเกียวแห่ง เทคโนโลยี (Tokyo Tech) และ NEC ได้ประกาศว่าพวกเขาได้ร่วมกันพัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณแบบ Phased-Array ความเร็ว 28 GHz ที่รองรับการสื่อสาร 5G ที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้

ทีมงานที่อยู่เบื้องหลังการวิจัยกล่าวว่าตัวรับส่งสัญญาณที่เสนอสามารถทำงานได้ดีกว่าการออกแบบก่อนหน้านี้ในด้านต่างๆ โดยการปรับสวิตช์ลำแสงที่รวดเร็วและกลไกการยกเลิกการรั่วไหล

การเกิดขึ้นของเทคโนโลยี 'อัจฉริยะ' ใหม่กำลังกระตุ้นการใช้แถบคลื่นมิลลิเมตรซึ่งมีแบนด์วิดท์สัญญาณมากกว่ามาก และ 5G สามารถเสนออัตราข้อมูลได้มากกว่า 10 Gbit/s ผ่านการใช้คลื่นมิลลิเมตรและหลายรายการ ออก (MIMO) เทคโนโลยี.

ตัวรับส่งสัญญาณแบบ phased-array ขนาดใหญ่มีความสำคัญต่อการใช้งานระบบ MIMO เหล่านี้ แต่ต้องเผชิญกับความท้าทายหลายประการ เช่น การกระจายพลังงานที่เพิ่มขึ้นและค่าใช้จ่ายในการดำเนินการ ความท้าทายที่สำคัญอย่างหนึ่งคือเวลาแฝงซึ่งเกิดจากเวลาเปลี่ยนลำแสง การสลับลำแสงเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่ช่วยให้สามารถเลือกลำแสงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละเทอร์มินัล

นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียวและ NEC ได้พัฒนาตัวรับส่งสัญญาณแบบ phased-array 28-GHz ที่รองรับการสลับลำแสงที่รวดเร็วและการสื่อสารข้อมูลความเร็วสูง การค้นพบของพวกเขาจะถูกกล่าวถึงใน Symposia 2021 on VLSI Technology and Circuits การประชุมระดับนานาชาติที่สำรวจแนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่และแนวคิดที่เป็นนวัตกรรมใน สารกึ่งตัวนำ เทคโนโลยีและวงจร

การออกแบบที่เสนอนี้อำนวยความสะดวกในการใช้งานแบบโพลาไรซ์แบบคู่ โดยข้อมูลจะถูกส่งผ่านพร้อมกันผ่านคลื่นโพลาไรซ์แนวนอนและแนวตั้ง อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้อาจได้รับผลกระทบจากการรั่วไหลของโพลาไรเซชัน ซึ่งส่งผลให้เกิดการเสื่อมของสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแถบคลื่นมม.

ศาสตราจารย์เคนิจิ โอคาดะ ซึ่งเป็นผู้นำทีมวิจัยกล่าวว่า “เราสามารถคิดค้นวิธีการตรวจจับและยกเลิกแบบโพลาไรเซชัน ซึ่งสามารถยับยั้งการรั่วไหลทั้งในโหมดส่งและรับ”

คุณลักษณะที่สำคัญประการหนึ่งของกลไกที่นำเสนอคือความสามารถในการเปลี่ยนลำแสงที่มีความหน่วงแฝงต่ำและการควบคุมลำแสงที่มีความแม่นยำสูง องค์ประกอบแบบคงที่ควบคุมการสร้างบล็อคของกลไก ในขณะที่ SRAM บนชิปใช้เพื่อจัดเก็บการตั้งค่าสำหรับคานต่างๆ กลไกนี้นำไปสู่การสลับลำแสงที่รวดเร็วโดยมีเวลาแฝงที่ต่ำมาก นอกจากนี้ยังเปิดใช้งานการสลับอย่างรวดเร็วในโหมดส่งและรับเนื่องจากการใช้รีจิสเตอร์แยกกันสำหรับแต่ละโหมด

สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งของตัวรับส่งสัญญาณที่เสนอคือต้นทุนต่ำและขนาดที่เล็ก ตัวรับส่งสัญญาณมีสถาปัตยกรรมแบบสองทิศทาง ซึ่งช่วยให้ชิปมีขนาดเล็กลง 5 × 4.5 mm2 สำหรับการตั้งค่าลำแสงทั้งหมด 256 รูปแบบที่จัดเก็บไว้ใน SRAM บนชิป เวลาในการเปลี่ยนลำแสงทำได้เพียง 4 นาโนวินาทีเท่านั้น ขนาดเวกเตอร์ข้อผิดพลาด (EVM) ซึ่งเป็นการวัดเพื่อวัดประสิทธิภาพของสัญญาณมอดูเลตแบบดิจิทัล เช่น การปรับแอมพลิจูดของพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (QAM) ถูกคำนวณสำหรับตัวรับส่งสัญญาณที่เสนอ ตัวรับส่งสัญญาณรองรับ EVM 5.5% ใน 64QAM และ 3.5% ใน 256QAM

ด้านบน: ตัวรับส่งสัญญาณ phased-array ที่เสนอถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้กระบวนการ CMOS 65-nm และบรรจุด้วยแพ็คเกจระดับชิปเวเฟอร์ มีการกำหนดค่าในพื้นที่ขนาดเล็กเพียง 5 × 4.5 มม.

เมื่อเปรียบเทียบกับตัวรับส่งสัญญาณแบบแบ่งเฟส 5G ที่ล้ำสมัย ระบบมีเวลาในการสลับลำแสงที่เร็วขึ้นและประสิทธิภาพ MIMO ที่ดีขึ้นมาก

Okada กล่าวว่าเขามองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับอนาคตของตัวรับส่งสัญญาณ Phased-array 28-GHz 5G โดยแสดงความคิดเห็นว่า “เทคโนโลยีที่เราพัฒนาขึ้นสำหรับเครือข่าย 5G NR รองรับการสตรีมข้อมูลปริมาณมากโดยมีเวลาแฝงต่ำ ด้วยความสามารถในการสลับลำแสงที่รวดเร็ว ทำให้สามารถใช้ในสถานการณ์ที่ต้องการการรับรู้ของผู้ใช้หลายคนที่ได้รับการปรับปรุง อุปกรณ์นี้กำหนดขั้นตอนสำหรับการใช้งานมากมาย รวมถึงการเชื่อมต่อเครื่องและการสร้างเมืองและโรงงานอัจฉริยะ”