Tíz évvel ezelőtt az okostelefonok jellemzően csak néhány szabványt támogattak a négy GSM frekvenciasávban, és talán néhány WCDMA vagy CDMA2000 szabványt. A kevés választható frekvenciasáv miatt bizonyos fokú globális egységességet sikerült elérni a „négysávos” GSM telefonokkal, amelyek a 850/900/1800/1900 MHz-es sávokat használják, és bárhol használhatók a világon (na jó, nagyjából).
Ez óriási előny az utazók számára, és óriási méretgazdaságosságot teremt az eszközgyártók számára, akiknek csak néhány modellt (vagy talán csak egyet) kell kiadniuk a teljes globális piacra. A mai napig a GSM az egyetlen vezeték nélküli hozzáférési technológia, amely globális barangolást biztosít. Egyébként ha nem tudnád, a GSM-et fokozatosan kivezetik.
Minden névre méltó okostelefonnak támogatnia kell a 4G, 3G és 2G hozzáférést, változó RF interfész követelményekkel a sávszélesség, az adási teljesítmény, a vevő érzékenysége és sok egyéb paraméter tekintetében.
Ráadásul a globális spektrum széttagolt elérhetősége miatt a 4G szabványok nagyszámú frekvenciasávot fednek le, így a szolgáltatók bármely adott területen elérhető bármely frekvencián használhatják – jelenleg összesen 50 sávot, ahogy az LTE1 szabványok esetében is. Egy igazi „világtelefonnak” minden ilyen környezetben működnie kell.
A kulcsprobléma, amelyet minden cellás rádiónak meg kell oldania, a „duplex kommunikáció”. Amikor beszélünk, egyszerre hallgatunk. A korai rádiórendszerek push-to-talk-ot használtak (néhány még mindig), de amikor telefonon beszélünk, arra számítunk, hogy a másik fél megszakít minket. Az első generációs (analóg) cellás eszközök „duplex szűrőket” (vagy duplexereket) használtak a lefelé irányuló kapcsolat vételére anélkül, hogy „elkábították volna” a felfelé irányuló kapcsolatot más frekvencián.
A szűrők kisebbre és olcsóbbá tétele komoly kihívást jelentett a korai telefongyártók számára. A GSM bevezetésekor a protokollt úgy alakították ki, hogy az adó-vevők „félduplex módban” működhessenek.
Ez egy nagyon okos módszer volt a duplexerek kiiktatására, és fontos tényező volt abban, hogy a GSM alacsony költségű, mainstream technológiává váljon, amely képes uralni az iparágat (és megváltoztatni az emberek kommunikációját a folyamat során).
Andy Rubin, az Android operációs rendszer feltalálójának Essential telefonja a legújabb csatlakozási funkciókkal rendelkezik, beleértve a Bluetooth 5.0LE-t, a különféle GSM/LTE-t és a titán keretbe rejtett Wi-Fi antennát.
Sajnos a technikai problémák megoldásából levont tanulságok gyorsan feledésbe merültek a 3G kezdeti időszakának műszaki-politikai háborúiban, és a frekvenciaosztásos duplex (FDD) jelenleg domináns formája minden FDD sávhoz, amelyben működik, duplexert igényel. Kétségtelen, hogy az LTE fellendülése növekvő költségtényezőkkel jár.
Míg egyes sávok használhatják a Time Division Duplexet vagy a TDD-t (ahol a rádió gyorsan vált az adás és a vétel között), ezekből a sávokból kevesebb létezik. A legtöbb szolgáltató (kivéve főleg az ázsiaiakat) az FDD tartományt részesíti előnyben, amelyből több mint 30 van.
A TDD- és FDD-spektrum öröksége, a valóban globális sávok felszabadításának nehézségei, valamint az 5G több sávval való megjelenése még bonyolultabbá teszi a duplex problémát. A vizsgálat alatt álló ígéretes módszerek közé tartozik az új szűrőalapú tervezés és az öninterferencia kiküszöbölésének képessége.
Ez utóbbi a „fragmentless” duplex (vagy „in-band full duplex”) némileg ígéretes lehetőségét is magával hozza. Az 5G mobilkommunikáció jövőjében nemcsak az FDD-t és a TDD-t, hanem az ezen új technológiákon alapuló rugalmas duplexet is figyelembe kell vennünk.
A dán Aalborg Egyetem kutatói kifejlesztettek egy „Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 architektúrát, amely (lásd az ábrát a 18. oldalon) külön antennákat használ az adáshoz és a vételhez, és kombinálja ezeket az antennákat (alacsony teljesítményű) és testreszabható antennákkal. szűrés a kívánt adási és vételi leválasztás elérése érdekében.
Bár a teljesítmény lenyűgöző, a két antenna szükségessége nagy hátrány. Ahogy a telefonok egyre vékonyabbak és karcsúbbak lesznek, az antennák számára rendelkezésre álló hely egyre szűkebb.
A mobil eszközök több antennát is igényelnek a térbeli multiplexeléshez (MIMO). A SAFE architektúrával és 2×2 MIMO-támogatással rendelkező mobiltelefonokhoz mindössze négy antenna szükséges. Ezenkívül ezeknek a szűrőknek és antennáknak a hangolási tartománya korlátozott.
Így a globális mobiltelefonoknak is meg kell reprodukálniuk ezt az interfész-architektúrát, hogy lefedjék az összes LTE frekvenciasávot (450 MHz-től 3600 MHz-ig), amihez több antennára, több antennahangolóra és több szűrőre lesz szükség, ami visszavezet minket a gyakran ismételt kérdésekhez többsávos működés a komponensek megkettőzése miatt.
Bár több antenna telepíthető egy táblagépbe vagy laptopba, további fejlesztésekre van szükség a testreszabás és/vagy a miniatürizálás terén, hogy ezt a technológiát okostelefonokhoz is alkalmassá tegyék.
Az elektromosan kiegyensúlyozott duplex a vezetékes telefonálás kezdetei óta használatos17. Telefonrendszerben a mikrofont és a fülhallgatót a telefonvonalra kell csatlakoztatni, de egymástól el kell szigetelni, hogy a felhasználó saját hangja ne süketítse meg a gyengébb bejövő hangjelet. Ezt hibrid transzformátorokkal érték el az elektronikus telefonok megjelenése előtt.
Az alábbi ábrán látható duplex áramkör azonos értékű ellenállást használ az átviteli vezeték impedanciájához, így a mikrofonból érkező áram a transzformátorba való belépéskor megoszlik, és ellentétes irányban folyik át a primer tekercsen. A mágneses fluxusokat hatékonyan kioltják, és a szekunder tekercsben nem indukálódik áram, így a szekunder tekercs el van szigetelve a mikrofontól.
A mikrofon jele azonban továbbra is a telefonvonalra megy (bár némi veszteséggel), és a telefonvonalon bejövő jel továbbra is a hangszóróba kerül (szintén némi veszteséggel), lehetővé téve a kétirányú kommunikációt ugyanazon a telefonvonalon . . Fém huzal.
A rádiós szimmetrikus duplex egység hasonló a telefon duplex egységéhez, de a mikrofon, a kézibeszélő és a telefonvezeték helyett adót, vevőt és antennát használnak, amint az a B ábrán látható.
Az adó és a vevő elválasztásának harmadik módja az öninterferencia (SI) kiküszöbölése, ezáltal az átvitt jel kivonása a vett jelből. A zavaró technikákat évtizedek óta használják a radarban és a műsorszórásban.
Például az 1980-as évek elején Plessy kifejlesztett és forgalomba hozott egy „Groundsat” nevű, SI kompenzáción alapuló terméket a félduplex analóg FM katonai kommunikációs hálózatok 4-5 kiterjesztésére.
A rendszer full-duplex egycsatornás ismétlőként működik, kiterjesztve a félduplex rádiók hatótávolságát az egész munkaterületen.
A közelmúltban megnőtt az érdeklődés az öninterferencia-elnyomás iránt, főként a kis hatótávolságú kommunikáció (celluláris és Wi-Fi) irányába mutató tendencia miatt, ami az SI-elnyomás problémáját kezelhetőbbé teszi az alacsonyabb adási teljesítmény és a fogyasztói használatra szánt nagyobb vételi teljesítmény miatt. . Vezeték nélküli hozzáférési és backhaul alkalmazások 6-8.
Az Apple iPhone-ja (a Qualcomm segítségével) vitathatatlanul a világ legjobb vezeték nélküli és LTE-képességeivel rendelkezik, egyetlen chipen 16 LTE-sávot támogat. Ez azt jelenti, hogy csak két SKU-t kell gyártani a GSM és CDMA piacok lefedéséhez.
Az interferenciamegosztás nélküli duplex alkalmazásokban az öninterferencia-elnyomás javíthatja a spektrum hatékonyságát azáltal, hogy lehetővé teszi a felfelé és lefelé irányuló kapcsolat számára ugyanazon spektrumerőforrások megosztását9,10. Öninterferencia-elnyomó technikák is használhatók egyedi duplexerek létrehozására FDD-hez.
Maga a lemondás általában több szakaszból áll. Az antenna és az adó-vevő közötti irányított hálózat biztosítja az első szintű elválasztást a továbbított és vett jelek között. Másodszor, további analóg és digitális jelfeldolgozást alkalmaznak a vett jelben maradó belső zajok kiküszöbölésére. Az első fokozat használhat külön antennát (mint a SAFE-nél), hibrid transzformátort (lásd alább);
A leválasztott antennák problémáját már leírtuk. A keringtetők jellemzően keskeny sávúak, mert ferromágneses rezonanciát használnak a kristályban. Ez a hibrid technológia vagy az elektromosan kiegyensúlyozott leválasztás (EBI) ígéretes technológia, amely szélessávú és potenciálisan chipbe integrálható.
Ahogy az alábbi ábrán is látható, az intelligens antenna előlapi kialakítása két keskeny sávú hangolható antennát használ, egyet adásra és egyet vételre, valamint egy pár kisebb teljesítményű, de hangolható duplex szűrőt. Az egyes antennák nemcsak bizonyos passzív elszigetelést biztosítanak a köztük lévő terjedési veszteség árán, hanem korlátozott (de hangolható) pillanatnyi sávszélességük is van.
Az adóantenna csak az adási frekvenciasávban, a vevőantenna pedig csak a vételi frekvenciasávban működik hatékonyan. Ebben az esetben maga az antenna is szűrőként működik: a sávon kívüli Tx sugárzást az adóantenna, a Tx sávban jelentkező öninterferenciát pedig a vevőantenna csillapítja.
Ezért az architektúra megköveteli, hogy az antenna hangolható legyen, ami antennahangoló hálózat használatával érhető el. Az antennahangoló hálózatban elkerülhetetlen a beillesztési veszteség. A MEMS18 hangolható kondenzátorok legújabb fejlesztései azonban jelentősen javították ezen eszközök minőségét, ezáltal csökkentve a veszteségeket. Az Rx beillesztési veszteség körülbelül 3 dB, ami összemérhető a SAW duplexer és a kapcsoló teljes veszteségével.
Az antenna alapú leválasztást ezután egy hangolható szűrő egészíti ki, amely szintén MEM3 hangolható kondenzátorokon alapul, hogy az antennától 25 dB-es, a szűrőtől pedig 25 dB-es leválasztást érjünk el. A prototípusok bebizonyították, hogy ez megvalósítható.
Számos tudományos és ipari kutatócsoport vizsgálja a hibridek használatát a duplex nyomtatáshoz11–16. Ezek a sémák passzívan kiküszöbölik az SI-t azáltal, hogy lehetővé teszik az egyidejű adást és vételt egyetlen antennáról, de elkülönítik az adót és a vevőt. Szélessávú jellegűek, és chipen is megvalósíthatók, így vonzó lehetőség a mobileszközök frekvenciaduplex használatára.
A legújabb fejlesztések azt mutatják, hogy az EBI-t használó FDD adó-vevők CMOS-ból (Complementary Metal Oxide Semiconductor) gyárthatók beillesztési veszteséggel, zajjelekkel, vevő linearitású és blokkolás-elnyomási jellemzőkkel, amelyek cellás alkalmazásokhoz is megfelelőek11,12,13. Azonban, amint az akadémiai és tudományos irodalomban számos példa mutatja, van egy alapvető korlát, amely a duplex izolációt érinti.
A rádióantenna impedanciája nem rögzített, hanem a működési frekvenciától (az antenna rezonancia miatt) és az időtől függően (a változó környezettel való kölcsönhatás miatt) változik. Ez azt jelenti, hogy a kiegyenlítő impedanciának alkalmazkodnia kell a nyomkövetési impedancia változásaihoz, és a leválasztási sávszélesség korlátozott a frekvenciatartomány változásai miatt13 (lásd 1. ábra).
A Bristoli Egyetemen végzett munkánk ezen teljesítménykorlátozások kivizsgálására és megoldására összpontosul annak bizonyítására, hogy a szükséges küldés/fogadás elkülönítése és átviteli sebessége elérhető a valós felhasználási esetekben.
Az antenna impedancia ingadozásainak leküzdése érdekében (amely súlyosan befolyásolja az elszigetelést), adaptív algoritmusunk valós időben követi az antenna impedanciáját, és a tesztelés kimutatta, hogy a teljesítmény számos dinamikus környezetben fenntartható, beleértve a felhasználó által végzett interakciót, valamint a nagy sebességű közúti és vasúti közlekedést. utazási.
Ezen túlmenően, a frekvenciatartományban tapasztalható korlátozott antennaillesztés leküzdése érdekében, ezáltal növelve a sávszélességet és az általános szigetelést, egy elektromosan kiegyensúlyozott duplexert kombinálunk további aktív SI-elnyomással, egy második adó segítségével elnyomó jelet generálva az öninterferencia további elnyomására. (lásd 2. ábra).
A tesztágyunk eredményei biztatóak: az EBD-vel kombinálva az aktív technológia jelentősen javíthatja az adási és vételi izolációt, amint azt a 3. ábra mutatja.
Végső laboratóriumi összeállításunk alacsony költségű mobileszköz-komponenseket (mobiltelefon végerősítőket és antennákat) használ, így a mobiltelefon-megvalósítások reprezentatív. Sőt, méréseink azt mutatják, hogy ez a fajta, kétlépcsős öninterferencia-elhárítás a szükséges duplex leválasztást tudja biztosítani a felfelé és a lefelé irányuló frekvenciasávban, még alacsony költségű, kereskedelmi minőségű berendezések használata esetén is.
A mobileszköz maximális hatótávolságán vett jelerősségnek 12 nagyságrenddel kisebbnek kell lennie, mint az általa továbbított jelerősség. Az időosztásos duplex (TDD) esetében a duplex áramkör egyszerűen egy kapcsoló, amely az antennát az adóhoz vagy a vevőhöz köti, így a TDD duplexe egy egyszerű kapcsoló. Az FDD-ben az adó és a vevő egyidejűleg működik, és a duplexer szűrőket használ, hogy elkülönítse a vevőt az adó erős jelétől.
A cellás FDD elülső részén lévő duplexer >~50 dB leválasztást biztosít a felfelé irányuló kapcsolati sávban, hogy megakadályozza a vevő Tx jelekkel való túlterhelését, és >~50 dB leválasztást a lefelé irányuló kapcsolati sávban, hogy megakadályozza a sávon kívüli átvitelt. Csökkentett vevő érzékenység. Az Rx sávban az adási és vételi útvonalak veszteségei minimálisak.
Ezek az alacsony veszteségű, nagy szigetelési követelmények, ahol a frekvenciákat csak néhány százalék választja el egymástól, nagy Q szűrést igényelnek, ami eddig csak felületi akusztikus hullám (SAW) vagy test akusztikus hullám (BAW) eszközökkel valósítható meg.
Miközben a technológia folyamatosan fejlődik, a nagyrészt a szükséges eszközök nagy számának köszönhetően fejlődik, a többsávos működés külön chipen kívüli duplex szűrőt jelent minden sávhoz, amint az az A. ábrán látható. Minden switch és router további funkciókat is hozzáad teljesítménybüntetések és kompromisszumok.
A jelenlegi technológián alapuló, megfizethető, globális telefonokat túl nehéz előállítani. Az így létrejövő rádióarchitektúra nagyon nagy, veszteséges és drága lesz. A gyártóknak több termékváltozatot kell létrehozniuk a különböző régiókban szükséges sávok különböző kombinációihoz, ami megnehezíti a korlátlan globális LTE barangolást. A GSM dominanciájához vezető méretgazdaságosságot egyre nehezebb elérni.
A nagy adatsebességű mobilszolgáltatások iránti növekvő kereslet a 4G mobilhálózatok kiépítéséhez vezetett 50 frekvenciasávon, és még több sáv jön létre, mivel az 5G teljesen meghatározott és széles körben elterjedt. Az RF interfész bonyolultsága miatt mindezt egyetlen eszközben nem lehet lefedni a jelenlegi szűrő alapú technológiákkal, ezért testreszabható és újrakonfigurálható RF áramkörökre van szükség.
Ideális esetben új megközelítésre van szükség a duplex probléma megoldásához, amely talán hangolható szűrőkön vagy öninterferencia-elnyomáson, vagy a kettő kombinációján alapul.
Bár még nincs egyetlen olyan megközelítésünk, amely megfelelne a költségek, méret, teljesítmény és hatékonyság számos követelményének, talán néhány éven belül a kirakós darabok összeállnak, és a zsebedben lesznek.
Az olyan technológiák, mint az EBD SI-elnyomással, lehetőséget teremtenek arra, hogy ugyanazt a frekvenciát egyidejűleg mindkét irányban használják, ami jelentősen javíthatja a spektrális hatékonyságot.
Feladás időpontja: 2024.09.24