Fyrir tíu árum síðan studdu snjallsímar venjulega aðeins nokkra staðla sem starfa á fjórum GSM tíðnisviðunum, og kannski nokkra WCDMA eða CDMA2000 staðla. Með svo fáum tíðnisviðum til að velja úr hefur ákveðinni alþjóðlegri einsleitni náðst með „fjórbanda“ GSM-símum, sem nota 850/900/1800/1900 MHz böndin og hægt er að nota hvar sem er í heiminum (jæja, nokkurn veginn).
Þetta er mikill ávinningur fyrir ferðamenn og skapar mikla stærðarhagkvæmni fyrir framleiðendur tækja, sem þurfa aðeins að gefa út nokkrar gerðir (eða kannski bara eina) fyrir allan heimsmarkaðinn. Hratt áfram til dagsins í dag, GSM er enn eina þráðlausa aðgangstæknin sem veitir alþjóðlegt reiki. Við the vegur, ef þú vissir það ekki, GSM er smám saman að hætta.
Sérhver snjallsími sem er verðugur nafnsins verður að styðja 4G, 3G og 2G aðgang með mismunandi RF viðmótskröfum hvað varðar bandbreidd, sendingarorku, móttakaranæmi og margar aðrar breytur.
Þar að auki, vegna sundurlauss framboðs alþjóðlegs litrófs, ná 4G staðlar yfir mikinn fjölda tíðnisviða, þannig að rekstraraðilar geta notað þá á hvaða tíðni sem er tiltæk á hvaða svæði sem er - sem stendur samtals 50 bönd, eins og raunin er með LTE1 staðla. Sannur „heimssími“ verður að virka í öllum þessum umhverfi.
Lykilvandamálið sem sérhvert farsímaútvarp verður að leysa er „tvíhliða samskipti“. Þegar við tölum hlustum við á sama tíma. Fyrstu útvarpskerfin notuðu kallkerfi (sum gera það enn), en þegar við tölum í síma gerum við ráð fyrir að hinn aðilinn trufli okkur. Fyrsta kynslóð (hliðstæða) farsímatæki notuðu „tvíhliða síur“ (eða tvíhliða síur) til að taka á móti niðurtenglinum án þess að verða „deyfður“ með því að senda upptengilinn á annarri tíðni.
Það var mikil áskorun fyrir fyrstu símaframleiðendur að gera þessar síur minni og ódýrari. Þegar GSM var kynnt var samskiptareglan hönnuð þannig að senditæki gætu starfað í „hálf tvíhliða ham“.
Þetta var mjög snjöll leið til að útrýma duplexers og var stór þáttur í því að hjálpa GSM að verða ódýr, almenn tækni sem er fær um að ráða yfir iðnaðinum (og breyta því hvernig fólk hafði samskipti í því ferli).
Essential síminn frá Andy Rubin, uppfinningamanni Android stýrikerfisins, býður upp á nýjustu tengimöguleikana þar á meðal Bluetooth 5.0LE, ýmsa GSM/LTE og Wi-Fi loftnet falið í títan ramma.
Því miður gleymdist lærdómurinn af því að leysa tæknileg vandamál fljótt í tækni-pólitískum stríðum á fyrstu dögum 3G, og núverandi ríkjandi form tíðnideildar tvíhliða (FDD) krefst tvíhliða fyrir hvert FDD band sem það starfar á. Það er enginn vafi á því að LTE uppsveiflan kemur með hækkandi kostnaðarþáttum.
Þó að sumar hljómsveitir geti notað Time Division Duplex, eða TDD (þar sem útvarpið skiptir fljótt á milli sendingar og móttöku), eru færri af þessum böndum til. Flestir rekstraraðilar (nema aðallega asískir) kjósa FDD svið, þar af eru meira en 30.
Arfleifð TDD og FDD litrófsins, erfiðleikarnir við að losa um raunverulegar alþjóðlegar hljómsveitir og tilkoma 5G með fleiri hljómsveitum gera tvíhliða vandamálið enn flóknara. Efnilegar aðferðir sem verið er að rannsaka fela í sér nýja hönnun sem byggir á síu og getu til að útrýma sjálfstruflunum.
Hið síðarnefnda færir einnig með sér nokkuð vænlegan möguleika á „brotalausum“ tvíhliða (eða „in-band full duplex“). Í framtíð 5G farsímasamskipta gætum við þurft að huga að ekki aðeins FDD og TDD, heldur einnig sveigjanlega tvíhliða byggð á þessari nýju tækni.
Vísindamenn við háskólann í Álaborg í Danmörku hafa þróað „Smart Antenna Front End“ (SAFE)2-3 arkitektúr sem notar (sjá mynd á blaðsíðu 18) aðskilin loftnet fyrir sendingu og móttöku og sameinar þessi loftnet með (lítil afköst) ásamt sérsniðnum síun til að ná æskilegri sendingar- og móttökueinangrun.
Þó frammistaðan sé áhrifamikil er þörfin fyrir tvö loftnet stór galli. Eftir því sem símar verða þynnri og sléttari verður plássið sem er í boði fyrir loftnet sífellt minna og minna.
Farsímar þurfa einnig mörg loftnet fyrir staðbundna margföldun (MIMO). Farsímar með SAFE arkitektúr og 2×2 MIMO stuðning þurfa aðeins fjögur loftnet. Að auki er stillingarsvið þessara sía og loftneta takmarkað.
Þannig að alþjóðlegir farsímar munu líka þurfa að endurtaka þennan viðmótsarkitektúr til að ná yfir öll LTE tíðnisvið (450 MHz til 3600 MHz), sem mun krefjast fleiri loftneta, fleiri loftnetsúttaka og fleiri sía, sem færir okkur aftur að algengum spurningum um fjölbandaaðgerð vegna fjölföldunar á íhlutum.
Þó að hægt sé að setja fleiri loftnet í spjaldtölvu eða fartölvu, þarf frekari framfarir í sérsniðnum og/eða smæðum til að gera þessa tækni hentug fyrir snjallsíma.
Rafmagnsjafnvægi tvíhliða hefur verið notað frá fyrstu dögum þráðsíma17. Í símakerfi verða hljóðnemi og heyrnartól að vera tengd við símalínuna, en einangruð frá hvort öðru þannig að eigin rödd notandans heyrnarlausa ekki veikara innkomandi hljóðmerki. Þetta var náð með blendingum spennum áður en rafrænir símar komu til sögunnar.
Tvíhliða hringrásin sem sýnd er á myndinni hér að neðan notar viðnám af sama gildi til að passa við viðnám flutningslínunnar þannig að straumurinn frá hljóðnemanum klofnar þegar hann fer inn í spenni og flæðir í gagnstæðar áttir í gegnum aðalspóluna. Segulflæðið er í raun hætt og enginn straumur er framkallaður í aukaspólunni, þannig að aukaspólan er einangruð frá hljóðnemanum.
Hins vegar fer merki frá hljóðnemanum enn í símalínuna (að vísu með einhverju tapi) og móttekið merki á símalínunni fer enn til hátalarans (einnig með einhverju tapi), sem gerir tvíhliða samskipti á sömu símalínunni kleift . . Málmvír.
Útvarpsjafnvægur tvíhliðabúnaður er svipaður og tvíhliða símatæki, en í stað hljóðnema, símtóls og símavíra eru sendir, móttakarar og loftnet notaðir, í sömu röð, eins og sýnt er á mynd B.
Þriðja leiðin til að einangra sendinn frá viðtakandanum er að útrýma sjálftruflunum (SI) og draga þannig sendur merki frá mótteknu merki. Jammtækni hefur verið notuð í ratsjá og útsendingum í áratugi.
Til dæmis, snemma á níunda áratugnum, þróaði og markaðssetti Plessy vöru sem byggir á SI bótagreiðslum sem kallast „Groundsat“ til að auka svið hálf-duplex hliðrænna FM herfjarskiptakerfa4-5.
Kerfið virkar sem einrásar endurvarpi í fullri tvíhliða rás, sem eykur skilvirkt úrval hálftvíhliða talstöðva sem notuð eru um allt vinnusvæðið.
Nýlega hefur verið áhugi á sjálftruflunarbælingu, aðallega vegna þróunar í átt að skammdrægum fjarskiptum (farsíma og Wi-Fi), sem gerir vandamálið við SI bælingu viðráðanlegra vegna minna sendingarafls og meiri aflmóttöku fyrir neytendur. . Þráðlaus aðgangur og bakhalsforrit 6-8.
iPhone frá Apple (með hjálp Qualcomm) hefur að öllum líkindum heimsins bestu þráðlausa og LTE getu, sem styður 16 LTE bönd á einni flís. Þetta þýðir að aðeins þarf að framleiða tvo SKU til að ná yfir GSM og CDMA markaði.
Í tvíhliða forritum án samnýtingar truflana getur sjálftruflunarbæling bætt litrófsskilvirkni með því að leyfa upp- og niðurtengli að deila sömu litrófsauðlindum9,10. Einnig er hægt að nota sjálftruflunarbælingu til að búa til sérsniðna tvíhliða fyrir FDD.
Afpöntunin sjálf samanstendur venjulega af nokkrum stigum. Stefnanetið milli loftnetsins og senditækisins veitir fyrsta stig aðskilnaðar milli sendra og móttekinna merkja. Í öðru lagi er viðbótar hliðræn og stafræn merkjavinnsla notuð til að útrýma hvers kyns innri hávaða sem eftir er í mótteknu merkinu. Fyrsta stigið getur notað sérstakt loftnet (eins og í SAFE), blendingsspennir (lýst hér að neðan);
Vandamáli aðskildra loftneta hefur þegar verið lýst. Hringrásartæki eru venjulega mjóband vegna þess að þeir nota járnsegulómun í kristalnum. Þessi blendingstækni, eða Electrically Balanced Isolation (EBI), er efnileg tækni sem getur verið breiðband og hugsanlega samþætt á flís.
Eins og sýnt er á myndinni hér að neðan notar framendahönnun snjallloftnetsins tvö þröngband stillanleg loftnet, eitt til að senda og annað fyrir móttöku, og par af lægri en stillanlegum tvíhliða síum. Einstök loftnet veita ekki aðeins óvirka einangrun á kostnað útbreiðslu taps á milli þeirra, heldur hafa einnig takmarkaða (en stillanleg) tafarlausa bandbreidd.
Sendiloftnetið virkar aðeins á flutningstíðnisviðinu og móttökuloftnetið virkar aðeins á móttökutíðnisviðinu. Í þessu tilviki virkar loftnetið sjálft einnig sem sía: Tx-geislun utan bandsins er dregin af sendiloftnetinu og sjálftruflanir á Tx-bandinu eru deyfðar af móttökuloftnetinu.
Þess vegna krefst arkitektúrinn að loftnetið sé stillanlegt, sem er náð með því að nota loftnetsstillingarnet. Það er óhjákvæmilegt tap á innsetningu í loftnetsstillingarneti. Hins vegar hafa nýlegar framfarir í MEMS18 stillanlegum þéttum bætt gæði þessara tækja verulega og þar með dregið úr tapi. Rx innsetningartapið er um það bil 3 dB, sem er sambærilegt við heildartap SAW tvíhliða og rofa.
Loftnetsbundinni einangruninni er síðan bætt við stillanleg síu, einnig byggð á MEM3 stillanlegum þéttum, til að ná 25 dB einangrun frá loftnetinu og 25 dB einangrun frá síunni. Frumgerðir hafa sýnt að hægt er að ná þessu.
Nokkrir rannsóknarhópar í háskóla og iðnaði eru að kanna notkun blendinga til tvíhliða prentunar11–16. Þessi kerfi útrýma SI á óvirkan hátt með því að leyfa samtímis sendingu og móttöku frá einu loftneti, en einangra sendi og móttakara. Þau eru í eðli sínu breiðbands og hægt er að útfæra þau á flís, sem gerir þau að aðlaðandi valkosti fyrir tvíhliða tíðni í farsímum.
Nýlegar framfarir hafa sýnt að FDD senditæki sem nota EBI geta verið framleidd úr CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) með innsetningartapi, hávaðatölu, línuleika móttakara og hindrandi bælingareiginleikum sem henta fyrir farsímanotkun11,12,13. Hins vegar, eins og fjölmörg dæmi í fræðilegum og vísindalegum bókmenntum sýna, er grundvallartakmörkun sem hefur áhrif á tvíhliða einangrun.
Viðnám útvarpsloftnets er ekki fast heldur breytilegt eftir notkunartíðni (vegna ómun loftnets) og tíma (vegna víxlverkunar við breytilegt umhverfi). Þetta þýðir að jafnvægisviðnám verður að laga sig að því að fylgjast með viðnámsbreytingum og aftengingarbandbreiddin er takmörkuð vegna breytinga á tíðnisviðinu13 (sjá mynd 1).
Starf okkar við háskólann í Bristol beinist að því að rannsaka og takast á við þessar takmarkanir á frammistöðu til að sýna fram á að hægt sé að ná fram nauðsynlegri sendingu/móttöku einangrun og afköstum í raunverulegum notkunartilfellum.
Til að vinna bug á sveiflum loftnetsviðnáms (sem hafa alvarleg áhrif á einangrun), rekur aðlögunarreikniritið okkar viðnám loftnets í rauntíma og prófanir hafa sýnt að hægt er að viðhalda frammistöðu í margs konar kraftmiklu umhverfi, þar á meðal notendaviðskiptum og háhraða vegum og járnbrautum. ferðast.
Að auki, til að vinna bug á takmörkuðu loftnetssamsvöruninni í tíðnisviðinu, og auka þannig bandbreidd og heildareinangrun, sameinum við rafjafnvægan tvíhliða með viðbótar virkri SI bælingu, með því að nota annan sendi til að búa til bælingarmerki til að bæla frekar niður sjálftruflanir. (sjá mynd 2).
Niðurstöðurnar úr prófunarbekknum okkar eru uppörvandi: þegar hún er sameinuð EBD getur virk tækni bætt einangrun sendingar og móttöku verulega, eins og sýnt er á mynd 3.
Lokauppsetning rannsóknarstofu okkar notar ódýra farsímaíhluti (aflmagnara og loftnet fyrir farsíma), sem gerir það dæmigert fyrir farsímaútfærslur. Þar að auki sýna mælingar okkar að þessi tegund af tveggja þrepa sjálftruflunarhöfnun getur veitt nauðsynlega tvíhliða einangrun í upphleðslu og niðurtengi tíðnisviðunum, jafnvel þegar ódýran búnað í viðskiptalegum gæðum er notaður.
Merkisstyrkur sem farsímatæki fær á hámarkssviði sínu verður að vera 12 stærðargráðum lægri en merkisstyrkur sem það sendir frá sér. Í Time Division Duplex (TDD) er tvíhliða hringrásin einfaldlega rofi sem tengir loftnetið við sendi eða móttakara, þannig að tvíhliða hringrásin í TDD er einfaldur rofi. Í FDD starfa sendirinn og móttakarinn samtímis og tvíhliða tækið notar síur til að einangra móttakarann frá sterku merki sendandans.
Duplexerinn í frumenda FDD framendanum veitir >~50 dB einangrun í upphleðslubandinu til að koma í veg fyrir ofhleðslu á móttakara með Tx merkjum, og >~50 dB einangrun í niðurhleðslubandinu til að koma í veg fyrir sendingu utan bands. Minni móttakari næmi. Í Rx bandinu er tap á sendingar- og móttökuleiðum í lágmarki.
Þessar kröfur um lágt tap og mikla einangrun, þar sem tíðnir eru aðskildar um aðeins nokkur prósent, krefjast hár-Q síunar, sem hingað til er aðeins hægt að ná með yfirborðshljóðbylgju (SAW) eða líkamshljóðbylgjubúnaði (BAW).
Þó að tæknin haldi áfram að þróast, þar sem framfarir eru að mestu vegna mikils fjölda tækja sem krafist er, þýðir multi-band aðgerð aðskilda tvíhliða síu utan flísar fyrir hvert band, eins og sýnt er á mynd A. Allir rofar og beinir bæta einnig við viðbótarvirkni með árangursrefsingar og málamiðlanir.
Of erfiðir símar á viðráðanlegu verði, byggðir á núverandi tækni, eru of erfiðir í framleiðslu. Útvarpsarkitektúrinn sem myndast verður mjög stór, tapsár og dýr. Framleiðendur verða að búa til mörg vöruafbrigði fyrir mismunandi samsetningar af hljómsveitum sem þarf á mismunandi svæðum, sem gerir ótakmarkað alþjóðlegt LTE reiki erfitt. Stærðarhagkvæmni sem leiddi til yfirburða GSM verður sífellt erfiðara að ná.
Aukin eftirspurn eftir háum gagnahraða farsímaþjónustu hefur leitt til dreifingar á 4G farsímakerfum á 50 tíðnisviðum, með enn fleiri böndum sem koma þar sem 5G er að fullu skilgreint og víða dreift. Vegna þess hve RF viðmótið er flókið er ekki hægt að ná yfir þetta allt í einu tæki með því að nota núverandi tækni sem byggir á síu, þannig að sérsniðnar og endurstillanlegar RF hringrásir eru nauðsynlegar.
Helst er þörf á nýrri nálgun til að leysa tvíhliða vandamálið, kannski byggt á stillanlegum síum eða sjálftruflunarbælingu, eða einhverri blöndu af hvoru tveggja.
Þó að við höfum ekki enn eina nálgun sem uppfyllir hinar fjölmörgu kröfur um kostnað, stærð, frammistöðu og skilvirkni, þá munu púsluspilsstykkin kannski koma saman og verða í vasa þínum eftir nokkur ár.
Tækni eins og EBD með SI bælingu getur opnað möguleika á að nota sömu tíðni í báðar áttir samtímis, sem getur bætt litrófsnýtni verulega.
Birtingartími: 24. september 2024