اختراع جدید ژاپنی ‌ها محدودیت اینترنت را از بین می ‌برد

محققان ژاپنی به‌تازگی یک فرستنده و گیرندۀ رلۀ بی‌سیم ابداع کرده‌اند که پوشش شبکۀ 5G را حتی در مناطقی که اتصال اینترنت مسدود شده است، افزایش می‌دهد.

به گزارش تک‌ناک، دانشمندان در Tokyo Tech یک گیرنده بی‌سیم 256 عنصری برای ارتباطات 5G طراحی کرده‌اند. این طراحی جدید دارای انتقال انرژی بی‌سیم کارآمد و راندمان تبدیل با توان بالا است، که می‌تواند پوشش شبکۀ 5G را حتی در مناطق با انسداد لینک، افزایش دهد. افزایش انعطاف‌پذیری و ناحیۀ پوشش به‌طور بالقوه این امکان را دارد که ارتباطات پرسرعت و با تأخیر کم را در دسترس‌تر قرار دهد.

ارتباطات 5G که از سیگنال‌های رادیویی با فرکانس بسیار بالا (24 تا 100 گیگاهرتز) استفاده می‌کند، یک فناوری امیدوارکننده برای نسل بعدی ارتباطات بی‌سیم است که سرعت بالا، تأخیر کم و ظرفیت بزرگ شبکه را نشان می‌دهد. با وجود این، شبکه‌های 5G فعلی با دو چالش کلیدی روبه‌رو هستند. اولین مورد نسبت سیگنال به نویز پایین (SNR) است، SNR بالا برای ارتباط خوب بسیار مهم می‌باشد. چالش دیگر انسداد لینک است که به اختلال در سیگنال بین فرستنده و گیرنده به دلیل موانعی مانند ساختمان‌ها اشاره دارد.

راه‌حل‌های شکل‌دهی پرتو و غیر خط دید

Beamforming  یک تکنیک کلیدی برای ارتباطات از راه دور با استفاده از امواج میلی‌متری است، که باعث بهبودی SNR را می‌شود. این تکنیک از مجموعه‌ای از حسگرها برای متمرکز کردن سیگنال‌های رادیویی در یک پرتو باریک در یک جهت خاص استفاده می‌کند، که شبیه به تمرکز یک پرتو چراغ قوه بر روی یک نقطه است. امّا این تکنیک محدود به ارتباط خط دید است؛ جایی که فرستنده‌ها و گیرنده‌ها باید در یک خط مستقیم باشند و سیگنال دریافتی امکان دارد به دلیل وجود موانع، کاهش یابد. علاوه بر این، بتن و مواد شیشه‌ای مدرن می‌توانند تلفات زیادی در انتشار ایجاد کنند. از این رو، نیاز فوری به یک سیستم رلۀ غیرخط دید (NLoS) برای گسترش پوشش شبکۀ 5G، به ویژه در داخل خانه وجود دارد.

برای رسیدگی به این مسائل، گروهی از محققان به سرپرستی آتسوشی شیران از آزمایشگاه Laboratory for Future Interdisciplinary Research مؤسسه فناوری توکیو، یک فرستنده گیرندۀ رلۀ بی‌سیم جدید برای 5G موج میلی‌متری 28 گیگاهرتز طراحی کردند. مطالعۀ آنها در مجلۀ Proceedings of 2024 IEEE MTT-S International Microwave Symposium منتشر شده است.

شیران در توضیح انگیزۀ مطالعۀ خود گفت: پیش از این، برای ارتباط NLoS، دو نوع رلۀ 5G فعال و با انرژی بی‌سیم، مورد بررسی قرار گرفته است. در حالی که رلۀ فعال می‌تواند یک SNR خوب را حتی با تعداد کمی آرایۀ یکسوکننده حفظ کند، امّا مصرف انرژی بالایی دارد. نوع بی‌سیم به منبع تغذیه اختصاصی نیاز ندارد، امّا به دلیل بهرۀ تبدیل کم، به آرایه‌های یکسوکنندۀ زیادی برای حفظ SNR نیاز دارد و از دیودهای CMOS با راندمان تبدیل توان کمتر از ده درصد استفاده می‌کند. طراحی ما با استفاده از مدارهای مجتمع نیمه هادی (IC) که به صورت تجاری در دسترس است، این مشکلات را برطرف می‌کند.

مشخصات فنی و نتایج تست

فرستنده و گیرندۀ پیشنهادی شامل 256 آرایۀ یکسوکننده با انتقال توان بی‌سیم 24 گیگاهرتز (WPT) است. این آرایه‌ها شامل آی‌سی‌های مجزا از جمله دیودهای آرسنید گالیم و بالون‌ها هستند، که بین خطوط سیگنال متعادل و نامتعادل (bal-un)، سوئیچ‌های DPDT و آی‌سی‌های دیجیتال با هم ارتباط دارند. قابل ذکر است که فرستنده و گیرنده قادر به انتقال همزمان داده و توان، تبدیل سیگنال WPT 24 گیگاهرتز به جریان مستقیم (DC) و تسهیل انتقال و دریافت دو طرفۀ 28 گیگاهرتز به‌طور همزمان هستند. سیگنال 24 گیگاهرتز در هر یکسوکننده به صورت جداگانه دریافت می‌شود، در حالی که سیگنال 28 گیگاهرتز با استفاده از شکل‌دهی پرتو، ارسال و دریافت می‌شود. هر دو سیگنال را می‌توان از یک جهت یا جهت‌های مختلف دریافت کرد و سیگنال 28 گیگاهرتز را می‌توان با بازتاب مجدد با سیگنال آزمایشی 24 گیگاهرتز یا در هر جهتی انتقال داد.

آزمایش نشان داد که فرستنده گیرندۀ پیشنهادی می‌تواند بازده تبدیل توان 54 درصد و بهرۀ تبدیل منفی 199 دسی بل که بالاتر از فرستنده گیرنده‌های معمولی است و در عین حال قادر به حفظ SNR در فواصل طولانی می‌باشد، به دست آورد. همچنین این فرستنده گیرنده حدود 56 میلی‌وات برق تولید می‌کند، که با افزایش تعداد آرایه‌ها می‌توان آن را حتی به بیشتر از این افزایش داد. این فرستنده گیرنده می‌تواند وضوح پرتوهای انتقال و دریافت را هم بهبود بخشد.

شیران در مورد مزایای دستگاه خود اعلام کرد: فرستنده گیرندۀ پیشنهادی می‌تواند به استقرار شبکۀ 5G با موج میلی‌متری حتی در مکان‌هایی که ارتباط مسدود شده است، کمک کند و انعطاف‌پذیری نصب و منطقۀ تحت پوشش را بهبود بخشد.