اختراع ژاپنی‌ها جلوی مسدودیت اینترنت را می‌گیرد!

دانشمندان در Tokyo Tech یک گیرنده بی‌سیم ۲۵۶ عنصری برای ارتباطات ۵G طراحی کرده‌اند. این طراحی جدید دارای انتقال انرژی بی‌سیم کارآمد و راندمان تبدیل با توان بالا است که می‌تواند پوشش شبکه ۵G را حتی در مناطقی با انسداد لینک افزایش دهد. افزایش انعطاف‌پذیری و ناحیه پوشش به طور بالقوه می‌تواند ارتباطات پرسرعت و با تأخیر کم را در دسترس‌تر کند.

ارتباطات ۵G موج میلی‌متری که از سیگنال‌های رادیویی با فرکانس بسیار بالا (۲۴ تا ۱۰۰ گیگاهرتز) استفاده می‌کند، یک فناوری امیدوارکننده برای نسل بعدی ارتباطات بی‌سیم است که سرعت‌بالا، تأخیر کم و ظرفیت شبکه بزرگ را نشان می‌دهد. بااین‌حال، شبکه‌های ۵G فعلی با دو چالش کلیدی روبرو هستند. اولین مورد نسبت سیگنال به نویز پایین (SNR) است. SNR بالا برای ارتباط خوب بسیار مهم است. چالش دیگر انسداد لینک است که به اختلال در سیگنال بین فرستنده و گیرنده به دلیل موانعی مانند ساختمان‌ها اشاره دارد.

نسبت سیگنال به نویز (SNR - Signal to Noise ratio) معیاری برای نمایش میزان سیگنال مفید در مقابل سیگنال مزاحم (یا نویز) در سیستم‌های الکتریکی است. این عدد، نسبت توان سیگنال به توان نویز است و آن را بر حسب دسی‌بل (dB) بیان می‌کنند.

Beamforming یک فن کلیدی برای ارتباطات از راه دور با استفاده از امواج میلی‌متری است که SNR را بهبود می‌بخشد. این فن از مجموعه‌ای از حسگرها برای متمرکز کردن سیگنال‌های رادیویی در یک پرتو باریک در یک‌جهت خاص شبیه به تمرکز یک پرتو چراغ‌قوه روی یک نقطهT استفاده می‌کند. بااین‌حال، محدود به ارتباط خط دید است، جایی که فرستنده‌ها و گیرنده‌ها باید در یک خط مستقیم باشند و سیگنال دریافتی می‌تواند به دلیل موانع کاهش یابد. علاوه بر این، بتن و مواد شیشه‌ای مدرن می‌توانند تلفات زیادی در انتشار ایجاد کنند. ازاین‌رو، نیاز فوری به یک سیستم رله غیر خط دید (NLoS) برای گسترش پوشش شبکه ۵G، به‌ویژه در داخل خانه وجود دارد.

برای رسیدگی به این مسائل، تیمی از محققان به سرپرستی دانشیار آتسوشی شیران از آزمایشگاه تحقیقات بین‌رشته‌ای آینده علم و فناوری در مؤسسه فناوری توکیو یک فرستنده گیرنده رله بی‌سیم جدید برای ۵G موج میلی‌متری ۲۸ گیگاهرتز طراحی کردند.

شیران در توضیح انگیزه پشت مطالعه خود می‌گوید: «پیش‌ازاین، برای ارتباط NLoS، دو نوع رله ۵G موردبررسی قرارگرفته است: یک نوع فعال و یک نوع باانرژی بی‌سیم. درحالی‌که رله فعال می‌تواند یک SNR خوب را حتی با تعداد کمی آرایه یکسو کننده حفظ کند، مصرف انرژی بالایی دارد. نوع بی‌سیم به منبع تغذیه اختصاصی نیاز ندارد اما به دلیل بهره تبدیل کم، به آرایه‌های یکسو کننده زیادی برای حفظ SNR نیاز دارد و از دیودهای CMOS باراندمان تبدیل توان کمتر از ده درصد استفاده می‌کند. طراحی ما در حین استفاده از مدارهای مجتمع نیمه‌هادی (IC) که به‌صورت تجاری در دسترس است، به مشکلات آن‌ها می‌پردازد.

فرستنده و گیرنده پیشنهادی شامل ۲۵۶ آرایه یکسو کننده با انتقال توان بی‌سیم ۲۴ گیگاهرتز (WPT) است. این آرایه‌ها شامل آی سی های مجزا، ازجمله دیودهای آرسنید گالیم و بالون‌ها هستند که بین خطوط سیگنال متعادل و نامتعادل (bal-un)، سوئیچ‌های DPDT و آی سی های دیجیتال باهم ارتباط برقرار می‌کند. قابل‌ذکر است که فرستنده و گیرنده قادر به انتقال هم‌زمان داده و توان، تبدیل سیگنال ۲۴ گیگاهرتز (WPT) به جریان مستقیم (DC) و تسهیل انتقال و دریافت دوطرفه ۲۸ گیگاهرتز به‌طور هم‌زمان است. سیگنال ۲۴ گیگاهرتز در هر یکسو کننده به‌صورت جداگانه دریافت می‌شود، درحالی‌که سیگنال ۲۸ گیگاهرتز با استفاده از شکل‌دهی پرتو ارسال و دریافت می‌شود. هر دو سیگنال را می‌توان از یک‌جهت یا جهت‌های مختلف دریافت کرد و سیگنال ۲۸ گیگاهرتز را می‌توان با بازتاب مجدد با سیگنال آزمایشی ۲۴ گیگاهرتز یا در هر جهتی منتقل کرد.

آزمایش نشان داد که فرستنده گیرنده پیشنهادی می‌تواند بازده تبدیل توان ۵۴ درصد و بهره تبدیل -۱۹ دسی‌بل، بالاتر از فرستنده گیرنده‌های معمولی و درعین‌حال حفظ SNR در فواصل طولانی، به دست آورد. علاوه بر این، حدود ۵۶ میلی وات برق تولید می‌کند که با افزایش تعداد آرایه‌ها می‌توان آن را حتی بیشتر افزایش داد. این همچنین می‌تواند وضوح پرتوهای انتقال و دریافت را بهبود بخشد. شیران در مورد مزایای دستگاه خود می‌گوید: "فرستنده-گیرنده پیشنهادی می‌تواند به استقرار شبکه ۵G با موج میلی‌متری حتی در مکان‌هایی که پیوند مسدود شده است کمک کند و انعطاف‌پذیری نصب و منطقه تحت پوشش را بهبود بخشد."

بخوانید: آیا گوشت‌های گیاهی سالم‌تر هستند؟

بخوانید: ساخت تایر نانویی دوچرخه؛ ضد پنچری و مناسب زمین‌های ناهموار