L'utilisation d'appareils sans fil explose. Statistique, un service de recherche international, estimé en mars 2019 qu'environ 13 milliards d'appareils mobiles (par exemple, Téléphone (s, comprimés, ordinateurs portables) étaient utilisés dans le monde entier, et Gartner, un cabinet mondial de recherche et de conseil, prédit que l'Internet des objets portera ce nombre à plus de 21 milliards d'appareils d'ici la fin de 2020.

L'utilisation généralisée des appareils mobiles crée déjà une demande importante sur le système cellulaire qui prend en charge toute cette connectivité sans fil, surtout aux endroits, comme un concert en plein air ou une arène sportive, où un grand nombre d'utilisateurs peuvent se connecter simultanément. La capacité de la technologie cellulaire de l'ère actuelle, ou encore la technologie 5G de nouvelle génération proposée, sera fortement sollicité pour fournir les débits de données élevés et la plage de communication étendue nécessaires pour prendre en charge l'utilisation croissante de l'appareil.

La communauté des communications s'est penchée sur la technologie in-band full-duplex (IBFD) pour augmenter la capacité et le nombre d'appareils pris en charge en permettant aux appareils d'émettre et de recevoir sur la même fréquence en même temps. Cette capacité non seulement double l'efficacité des appareils dans le spectre de fréquences, mais réduit également le temps de traitement d'un message entre les modes d'envoi et de réception.

Dans l'article "In-Band Full-Duplex Technology:Techniques and Systems Survey, " publié récemment dans Transactions IEEE sur la théorie et les techniques des micro-ondes , Les chercheurs du MIT Lincoln Laboratory de son groupe de technologie RF—Kenneth Kolodziej, Bradley Perry, et Jeffrey Herd, ont évalué les capacités de plus de 50 systèmes IBFD représentatifs. Ils ont conclu que la technologie IBFD intégrée aux systèmes sans fil peut améliorer la capacité des systèmes à fonctionner dans le spectre de fréquences encombré d'aujourd'hui et accroître l'utilisation efficace du spectre.

Cependant, les auteurs ont averti que le potentiel de l'IBFD pour les communications sans fil ne peut être réalisé que si les concepteurs de systèmes développent des techniques pour atténuer l'auto-interférence générée par la transmission et la réception simultanées sur la même fréquence.

Les systèmes IBFD développés jusqu'à présent sont limités dans la portée qu'ils peuvent atteindre et le nombre d'appareils qu'ils peuvent accueillir car ils reposent sur des antennes qui rayonnent de manière omnidirectionnelle. Récemment, Les chercheurs du Lincoln Laboratory ont démontré la technologie IBFD qui, pour la première fois, peut fonctionner sur des antennes multiéléments. « Les réseaux phasés peuvent diriger le trafic de communication vers des zones ciblées, augmentant ainsi les distances que les signaux RF atteignent et augmentant considérablement le nombre d'appareils qu'un seul nœud peut connecter, " a déclaré Kolodziej.

Relever le défi de l'auto-interférence

L'équipe de recherche, dirigé par Kolodziej, Poiré, et Jonathan Doane, a résolu le problème d'auto-interférence grâce à une combinaison de formation de faisceau numérique adaptative pour réduire le couplage entre les faisceaux d'antenne d'émission et de réception et d'annulation numérique adaptative pour éliminer davantage l'auto-interférence résiduelle. "L'élimination de l'auto-interférence est particulièrement difficile dans un réseau phasé car la proximité des antennes entraîne des niveaux d'interférence plus élevés, " dit Kolodziej. " Cette interférence devient d'autant plus difficile que les puissances d'émission dépassent la moitié d'un watt car des signaux de distorsion et de bruit sont générés et doivent également être supprimés pour une mise en œuvre réussie, " il ajoute.

Les antennes multiéléments peuvent utiliser la formation de faisceaux pour modifier dynamiquement la forme du diagramme d'antenne afin de focaliser ou de réduire l'énergie dans une direction spécifique. Pour le nouveau système du laboratoire, la formation de faisceau numérique d'émission est utilisée pour minimiser le signal d'interférence total à chaque antenne de réception, et la formation de faisceau de réception permet au système de minimiser l'auto-interférence acceptée de chaque émetteur. Dans la formation de faisceau numérique, le réseau phasé est divisé en une section d'émission d'antennes et une section de réception adjacente. Chaque antenne du réseau peut être affectée à l'une ou l'autre fonction, et la taille et la géométrie des zones d'émission et de réception peuvent être modifiées pour prendre en charge divers diagrammes d'antenne et fonctions requis par l'ensemble du système, tout en étant adapté à l'emplacement du système.

Même après la réduction des interférences fournie par la formation de faisceau numérique, une quantité importante de bruit, ainsi que le signal transmis résiduel, restera dans le signal reçu. Les techniques d'annulation numériques traditionnelles peuvent annuler le signal transmis résiduel mais ne peuvent pas éliminer le bruit. Pour résoudre ce problème, l'équipe du Lincoln Laboratory a couplé la sortie de chaque canal de transmission actif au canal de réception (autrement inutilisé) de cette antenne. Puis, en utilisant une copie de référence mesurée de la forme d'onde transmise, un algorithme d'annulation adaptative peut filtrer le signal d'émission, Distorsion, et du bruit, laissant le signal reçu non corrompu.

La suppression des signaux d'émission résiduels et du bruit généré de manière externe améliore la réception des signaux sans fil provenant d'appareils fonctionnant sur la même fréquence, augmenter efficacement le nombre de périphériques pouvant être pris en charge et leurs débits de données. "Nous envisageons cette opération IBFD au sein d'un système multiéléments comme un nouveau paradigme qui peut conduire à des améliorations significatives des performances des systèmes sans fil de nouvelle génération, " dit Doane.

Améliorations prévues du service sans fil

Grâce à des évaluations en laboratoire de la façon dont le système proposé par Lincoln Laboratory se compare à la technologie cellulaire actuelle et aux systèmes IBDF de pointe, l'équipe de recherche estime que le système d'antennes multiéléments avec capacité IBFD peut prendre en charge 100 fois plus d'appareils et des débits de données 10 fois plus élevés que la norme 4G LTE (évolution à long terme de quatrième génération) actuellement utilisée pour les communications sans fil. De plus, le système multiéléments peut atteindre une portée de communication étendue de 60 miles, ce qui est plus de 2,5 fois supérieur au système suivant.

Étant donné que les systèmes d'antennes multiéléments utilisent plusieurs antennes pour focaliser le rayonnement et effectuer des opérations de formation de faisceau, Le système de Lincoln Laboratory est légèrement plus grand que le système à antenne unique prévu pour la 5G NR (nouvelle radio de cinquième génération) :1,5 pied carré contre un pied carré. Cependant, l'une ou l'autre taille d'antenne devrait être prise en charge par la plupart des stations de base.

"Globalement, les améliorations significatives offertes par le système de Lincoln Laboratory pourraient offrir aux futurs utilisateurs sans fil des expériences de pointe qui incluent la connexion de plus d'appareils à l'intérieur de leurs maisons intelligentes ainsi que le maintien de débits de données élevés dans de grandes foules, qui sont tous deux impossibles avec la technologie actuelle, " a déclaré Doane.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.