Lời hứa của mạng Internet vạn vật (IoT) 5G đòi hỏi các hệ thống truyền thông có khả năng mở rộng và mạnh mẽ hơn — những hệ thống cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn đáng kể và tiêu thụ điện năng trên mỗi thiết bị thấp hơn.
Bộ đàm tán xạ ngược — cảm biến thụ động phản xạ chứ không phải bức xạ năng lượng — được biết đến với chi phí thấp, độ phức tạp thấp và hoạt động không tốn pin, khiến chúng trở thành một thiết bị đóng vai trò quan trọng tiềm năng trong tương lai này mặc dù chúng thường có tốc độ dữ liệu thấp và hiệu suất hoạt động mạnh mẽ phụ thuộc vào môi trường xung quanh.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Georgia Công nghệ, Nokia Bell Labs và Đại học Heriot-Watt đã tìm ra một phương pháp chi phí thấp cho sóng vô tuyến tán xạ ngược để hỗ trợ liên lạc thông lượng cao và truyền dữ liệu Gb/giây tốc độ 5G chỉ bằng một Transistor khi trước đây nó yêu cầu đắt tiền và nhiều bóng bán dẫn xếp chồng lên nhau.
Sử dụng phương pháp điều chế độc đáo ở băng thông 5G 24/28 Gigahertz (GHz), các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thiết bị thụ động này có thể truyền dữ liệu một cách an toàn và mạnh mẽ từ hầu hết mọi môi trường.
Theo truyền thống, truyền thông mmWave, được gọi là băng tần cực cao, được coi là “chặng đường cuối cùng” cho băng thông rộng, với các liên kết không dây chỉ thị điểm-điểm và điểm-đa điểm. Băng tần này mang lại nhiều lợi thế, bao gồm băng thông GHz khả dụng rộng, cho phép tốc độ truyền thông rất lớn và khả năng triển khai các mảng ăng ten điện lớn, cho phép khả năng định dạng chùm theo yêu cầu. Tuy nhiên, các hệ thống mmWave như vậy phụ thuộc vào các thành phần và hệ thống chi phí cao.
Cuộc đấu tranh cho sự đơn giản so với chi phí
Điển hình, đó là sự đơn giản so với chi phí. Bạn có thể làm những việc rất đơn giản với một Transistor hoặc bạn cần nhiều bóng bán dẫn cho các tính năng phức tạp hơn, điều này khiến các hệ thống này rất đắt tiền Bây giờ chúng tôi đã nâng cao độ phức tạp, làm cho nó trở nên rất mạnh mẽ nhưng chi phí rất thấp, vì vậy chúng tôi đang tận dụng tối đa cả hai thế giới.
Bước đột phá của chúng tôi là có thể giao tiếp trên tần số 5G/sóng milimet (mmWave) mà không thực sự có bộ phát vô tuyến mmWave đầy đủ—chỉ cần một bóng bán dẫn mmWave duy nhất dọc theo các thiết bị điện tử tần số thấp hơn nhiều, chẳng hạn như các thiết bị điện tử có trong điện thoại di động hoặc WiFi thiết bị. Tần số hoạt động thấp hơn giúp giảm mức tiêu thụ điện năng và chi phí silicon của thiết bị điện tử. Công việc của chúng tôi có thể mở rộng cho mọi loại điều chế kỹ thuật số và có thể áp dụng cho mọi thiết bị cố định hoặc di động.
Các nhà nghiên cứu là những người đầu tiên sử dụng radio tán xạ ngược cho truyền thông mmWave tốc độ dữ liệu gigabit trong khi giảm thiểu độ phức tạp của mặt trước cho một bóng bán dẫn tần số cao duy nhất. Bước đột phá của họ bao gồm việc điều chế cũng như bổ sung thêm trí thông minh cho tín hiệu đang điều khiển thiết bị.
Chúng tôi đã giữ lại giao diện người dùng RF tương tự để tăng tốc độ dữ liệu mà không cần thêm nhiều bóng bán dẫn hơn vào bộ điều chế của chúng tôi, điều này làm cho nó trở thành một bộ giao tiếp có thể mở rộng.
Cung cấp năng lượng cho một loạt các cảm biến IoT 'thông minh'
Công nghệ này mở ra một loạt các ứng dụng IoT 5G, bao gồm cả việc thu thập năng lượng, mà các nhà nghiên cứu Georgia Tech gần đây đã chứng minh bằng cách sử dụng một thấu kính Rotman chuyên dụng thu thập năng lượng điện từ 5G từ mọi hướng.
Tentzeris cho biết các ứng dụng bổ sung cho công nghệ tán xạ ngược có thể bao gồm mạng khu vực cá nhân tốc độ cao "chắc chắn" với các cảm biến có thể đeo / cấy được bằng không năng lượng để theo dõi nồng độ oxy hoặc glucose trong máu hoặc chức năng tim / điện não đồ; cảm biến nhà thông minh giám sát nhiệt độ, hóa chất, khí và độ ẩm; và các ứng dụng nông nghiệp thông minh để phát hiện sương giá trên cây trồng, phân tích chất dinh dưỡng trong đất hoặc thậm chí theo dõi vật nuôi.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một bằng chứng ban đầu về khái niệm điều chế tán xạ ngược này, đã giành được giải ba tại Giải thưởng Nokia Bell Labs năm 2016. Vào thời điểm đó, Kimionis là một nhà nghiên cứu tiến sĩ của Georgia Tech ECE làm việc với Tentzeris trong phòng thí nghiệm ATHENA, nơi cải tiến các công nghệ mới cho các ứng dụng điện từ, không dây, RF, sóng milimet và sub-terahertz.
Cơ chế chính của chi phí thấp: Sản xuất phụ gia
Đối với Kimionis, bước đột phá về công nghệ tán xạ ngược phản ánh mục tiêu của anh ấy là “dân chủ hóa truyền thông”.
“Trong suốt sự nghiệp của mình, tôi đã tìm cách làm cho tất cả các loại hình truyền thông tiết kiệm chi phí hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Bây giờ, vì toàn bộ giao diện người dùng của giải pháp của chúng tôi được tạo ra ở độ phức tạp thấp như vậy, nên nó tương thích với các thiết bị điện tử in. Theo đúng nghĩa đen, chúng tôi có thể in một dải ăng-ten mmWave có thể hỗ trợ một máy phát công suất thấp, độ phức tạp thấp và chi phí thấp ”.
Tentzeris coi việc in ấn với giá cả phải chăng là rất quan trọng để làm cho thị trường công nghệ tán xạ ngược của họ trở nên khả thi. Georgia Tech là công ty tiên phong trong lĩnh vực in phun trên hầu hết mọi vật liệu (giấy, nhựa, thủy tinh, chất nền linh hoạt / hữu cơ) và là một trong những viện nghiên cứu đầu tiên sử dụng in 3D với dải tần số milimet vào năm 2002.