Les ingénieurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un système de mesure portable pour prendre en charge la conception et les tests en laboratoire reproductibles d'appareils de communication sans fil de cinquième génération (5G) avec une précision sans précédent sur une large gamme de fréquences de signaux et de scénarios.

Le système s'appelle SAMURAI, abréviation de Synthetic Aperture Measurements of Uncertainty in Angle of Incidence. Le système est le premier à offrir des mesures sans fil 5G avec une précision qui peut être retracée aux normes physiques fondamentales, une caractéristique clé car même de minuscules erreurs peuvent produire des résultats trompeurs. SAMURAI est également assez petit pour être transporté aux tests sur le terrain.

Les appareils mobiles tels que les téléphones portables, Les appareils Wi-Fi grand public et les radios de sécurité publique fonctionnent désormais principalement à des fréquences électromagnétiques inférieures à 3 gigahertz (GHz) avec des antennes qui rayonnent de manière égale dans toutes les directions. Les experts prédisent que les technologies 5G pourraient multiplier par mille les débits de données en utilisant des des fréquences "millimétriques" supérieures à 24 GHz et hautement directionnelles, changeant activement les diagrammes d'antenne. De tels réseaux d'antennes actives aident à surmonter les pertes de ces signaux à haute fréquence pendant la transmission. Les systèmes 5G envoient également des signaux sur plusieurs chemins simultanément, appelés canaux spatiaux, pour augmenter la vitesse et surmonter les interférences.

De nombreux instruments peuvent mesurer certains aspects des performances des appareils et canaux 5G directionnels. Mais la plupart se concentrent sur la collecte d'instantanés rapides sur une plage de fréquences limitée pour fournir un aperçu général d'un canal, tandis que SAMURAI fournit un portrait détaillé. En outre, de nombreux instruments sont si gros qu'ils peuvent déformer les transmissions et la réception de signaux à ondes millimétriques.

Décrit lors d'une conférence le 7 août, SAMURAI devrait aider à résoudre de nombreuses questions sans réponse concernant l'utilisation d'antennes actives par la 5G, comme ce qui se passe lorsque des débits de données élevés sont transmis sur plusieurs canaux à la fois. Le système aidera à améliorer la théorie, du matériel et des techniques d'analyse pour fournir des modèles de canaux précis et des réseaux efficaces.

" SAMURAI fournit un moyen rentable d'étudier de nombreux problèmes de mesure des ondes millimétriques, ainsi la technique sera accessible aux laboratoires académiques ainsi qu'aux laboratoires de métrologie d'instrumentation, " L'ingénieur en électronique du NIST, Kate Remley, a déclaré. " En raison de sa traçabilité aux normes, les utilisateurs peuvent avoir confiance dans les mesures. La technique permettra une meilleure conception d'antenne et une vérification des performances, et soutenir la conception du réseau."

SAMURAI mesure les signaux sur une large gamme de fréquences, actuellement jusqu'à 50 GHz, jusqu'à 75 GHz au cours de l'année à venir. Le système tire son nom du fait qu'il mesure les signaux reçus en de nombreux points sur une grille ou une "ouverture synthétique" virtuelle. Cela permet de reconstruire l'énergie entrante en trois dimensions, y compris les angles des signaux arrivant, qui est affectée par de nombreux facteurs, comme la façon dont le champ électrique du signal se réfléchit sur les objets sur le chemin de transmission.

SAMURAI peut être appliqué à une variété de tâches allant de la vérification des performances des appareils sans fil avec des antennes actives à la mesure des canaux réfléchissants dans des environnements où des objets métalliques diffusent des signaux. Les chercheurs du NIST utilisent actuellement SAMURAI pour développer des méthodes de test des appareils industriels de l'Internet des objets à des fréquences d'ondes millimétriques.

Les composants de base sont deux antennes pour transmettre et recevoir des signaux, instrumentation avec synchronisation temporelle précise pour générer des transmissions radio et analyser la réception, et un bras robotique à six axes qui positionne l'antenne de réception sur les points de grille qui forment l'ouverture synthétique. Le robot assure des positions d'antenne précises et reproductibles et trace une variété de modèles de réception dans l'espace 3D, telles que les formes cylindriques et hémisphériques. Une variété de petits objets métalliques tels que des plaques plates et des cylindres peuvent être placés dans la configuration de test pour représenter des bâtiments et d'autres obstacles du monde réel à la transmission du signal. Pour améliorer la précision de positionnement, un système de 10 caméras est également utilisé pour suivre les antennes et mesurer les emplacements des objets dans le canal qui diffusent les signaux.

Le système est généralement fixé à une table optique mesurant 5 pieds sur 14 pieds (1,5 mètre sur 4,3 mètres). Mais l'équipement est suffisamment portable pour être utilisé dans des tests mobiles sur le terrain et déplacé vers d'autres paramètres de laboratoire. La recherche sur les communications sans fil nécessite un mélange de tests en laboratoire, qui sont bien contrôlés pour aider à isoler des effets spécifiques et à vérifier les performances du système, et des tests sur le terrain, qui capturent la gamme des conditions réalistes.

Les mesures peuvent prendre des heures, ainsi tous les aspects du canal (stationnaire) sont enregistrés pour une analyse ultérieure. Ces valeurs incluent des facteurs environnementaux tels que la température et l'humidité, localisation des objets diffusants, et dérive de la précision du système de mesure.

L'équipe du NIST a développé SAMURAI avec des collaborateurs de la Colorado School of Mines à Golden, Colorado. Les chercheurs ont vérifié le fonctionnement de base et intègrent maintenant l'incertitude due aux réflexions indésirables du bras robotique, erreur de position et diagrammes d'antenne dans les mesures.