Ddeng mlynedd yn ôl, dim ond ychydig o safonau yr oedd ffonau smart yn eu cefnogi fel arfer yn gweithredu yn y pedwar band amledd GSM, ac efallai ychydig o safonau WCDMA neu CDMA2000. Gyda chyn lleied o fandiau amledd i ddewis ohonynt, sicrhawyd rhywfaint o unffurfiaeth fyd-eang gyda ffonau GSM “band cwad”, sy'n defnyddio'r bandiau 850/900/1800/1900 MHz a gellir eu defnyddio unrhyw le yn y byd (wel, 'n bert lawer).
Mae hyn yn fantais enfawr i deithwyr ac yn creu arbedion maint enfawr i weithgynhyrchwyr dyfeisiau, sydd ond angen rhyddhau ychydig o fodelau (neu efallai un yn unig) ar gyfer y farchnad fyd-eang gyfan. Yn gyflym ymlaen at heddiw, GSM yw'r unig dechnoleg mynediad diwifr sy'n darparu crwydro byd-eang o hyd. Gyda llaw, os nad oeddech chi'n gwybod, mae GSM yn cael ei ddileu'n raddol.
Rhaid i unrhyw ffôn clyfar sy'n deilwng o'r enw gefnogi mynediad 4G, 3G a 2G gyda gofynion rhyngwyneb RF amrywiol o ran lled band, trosglwyddo pŵer, sensitifrwydd derbynnydd a llawer o baramedrau eraill.
Yn ogystal, oherwydd argaeledd dameidiog sbectrwm byd-eang, mae safonau 4G yn cwmpasu nifer fawr o fandiau amledd, felly gall gweithredwyr eu defnyddio ar unrhyw amleddau sydd ar gael mewn unrhyw ardal benodol - cyfanswm o 50 band ar hyn o bryd, fel sy'n wir am safonau LTE1. Rhaid i “ffôn byd” go iawn weithio ym mhob un o'r amgylcheddau hyn.
Y broblem allweddol y mae'n rhaid i unrhyw radio cellog ei datrys yw “cyfathrebu deublyg”. Pan fyddwn yn siarad, rydym yn gwrando ar yr un pryd. Roedd systemau radio cynnar yn defnyddio gwthio-i-siarad (mae rhai yn dal i wneud), ond pan fyddwn yn siarad ar y ffôn, rydym yn disgwyl i'r person arall dorri ar ein traws. Roedd dyfeisiau cellog cenhedlaeth gyntaf (analog) yn defnyddio “hidlwyr deublyg” (neu ddeublygwyr) i dderbyn y cyswllt i lawr heb gael eu “syfrdanu” trwy drosglwyddo'r cyswllt i fyny ar amledd gwahanol.
Roedd gwneud yr hidlwyr hyn yn llai ac yn rhatach yn her fawr i weithgynhyrchwyr ffonau cynnar. Pan gyflwynwyd GSM, cynlluniwyd y protocol fel y gallai trosglwyddyddion weithredu mewn “modd hanner dwplecs”.
Roedd hon yn ffordd glyfar iawn o ddileu deublygwyr, ac roedd yn ffactor mawr wrth helpu GSM i ddod yn dechnoleg prif ffrwd cost isel a allai ddominyddu'r diwydiant (a newid y ffordd yr oedd pobl yn cyfathrebu yn y broses).
Mae'r ffôn Hanfodol gan Andy Rubin, dyfeisiwr system weithredu Android, yn cynnwys y nodweddion cysylltedd diweddaraf gan gynnwys Bluetooth 5.0LE, GSM / LTE amrywiol ac antena Wi-Fi wedi'i guddio mewn ffrâm titaniwm.
Yn anffodus, anghofiwyd y gwersi a ddysgwyd o ddatrys problemau technegol yn gyflym yn rhyfeloedd techno-wleidyddol dyddiau cynnar 3G, ac mae'r ffurf fwyaf blaenllaw ar hyn o bryd o ddyblygu rhannu amlder (FDD) yn gofyn am ddeublygwr ar gyfer pob band FDD y mae'n gweithredu ynddo. Nid oes amheuaeth bod y ffyniant LTE yn dod â ffactorau cost cynyddol.
Er y gall rhai bandiau ddefnyddio Time Division Duplex, neu TDD (lle mae'r radio'n newid yn gyflym rhwng trosglwyddo a derbyn), mae llai o'r bandiau hyn yn bodoli. Mae'n well gan y mwyafrif o weithredwyr (ac eithrio rhai Asiaidd yn bennaf) yr ystod FDD, y mae mwy na 30 ohonynt.
Mae etifeddiaeth sbectrwm TDD a FDD, yr anhawster o ryddhau bandiau gwirioneddol fyd-eang, a dyfodiad 5G gyda mwy o fandiau yn gwneud y broblem ddeublyg hyd yn oed yn fwy cymhleth. Ymhlith y dulliau addawol sy'n cael eu harchwilio mae dyluniadau newydd yn seiliedig ar ffilter a'r gallu i ddileu hunan-ymyrraeth.
Mae'r olaf hefyd yn dod â'r posibilrwydd braidd yn addawol o ddeublyg “di-ddaliog” (neu “dwplecs llawn mewn band”) gydag ef. Yn nyfodol cyfathrebiadau symudol 5G, efallai y bydd yn rhaid i ni ystyried nid yn unig FDD a TDD, ond hefyd dwplecs hyblyg yn seiliedig ar y technolegau newydd hyn.
Mae ymchwilwyr ym Mhrifysgol Aalborg yn Nenmarc wedi datblygu pensaernïaeth “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 sy'n defnyddio (gweler y llun ar dudalen 18) antenâu ar wahân ar gyfer trosglwyddo a derbyn ac sy'n cyfuno'r antenâu hyn â (perfformiad isel) ar y cyd â rhai y gellir eu haddasu. hidlo i gyflawni'r ynysu trosglwyddo a derbyn a ddymunir.
Er bod y perfformiad yn drawiadol, mae'r angen am ddau antena yn anfantais fawr. Wrth i ffonau deneuo a lluniaidd, mae'r lle sydd ar gael ar gyfer antenâu yn mynd yn llai ac yn llai.
Mae dyfeisiau symudol hefyd angen antenâu lluosog ar gyfer amlblecsio gofodol (MIMO). Dim ond pedwar antena sydd eu hangen ar ffonau symudol gyda phensaernïaeth SAFE a chefnogaeth 2 × 2 MIMO. Yn ogystal, mae ystod tiwnio'r hidlwyr a'r antenâu hyn yn gyfyngedig.
Felly bydd angen i ffonau symudol byd-eang hefyd ailadrodd y bensaernïaeth rhyngwyneb hon i gwmpasu'r holl fandiau amledd LTE (450 MHz i 3600 MHz), a fydd yn gofyn am fwy o antenâu, mwy o diwnwyr antena a mwy o hidlwyr, sy'n dod â ni yn ôl at y cwestiynau cyffredin cwestiynau am gweithrediad aml-fand oherwydd dyblygu cydrannau.
Er y gellir gosod mwy o antenâu mewn llechen neu liniadur, mae angen datblygiadau pellach mewn addasu a/neu finiatureiddio i wneud y dechnoleg hon yn addas ar gyfer ffonau clyfar.
Mae dwplecs sy'n gytbwys yn drydanol wedi'i ddefnyddio ers dyddiau cynnar teleffoni gwifrau17. Mewn system ffôn, rhaid cysylltu'r meicroffon a'r clustffon â'r llinell ffôn, ond eu hynysu oddi wrth ei gilydd fel nad yw llais y defnyddiwr ei hun yn byddaru'r signal sain gwannach sy'n dod i mewn. Cyflawnwyd hyn gan ddefnyddio trawsnewidyddion hybrid cyn dyfodiad ffonau electronig.
Mae'r gylched deublyg a ddangosir yn y ffigur isod yn defnyddio gwrthydd o'r un gwerth i gyd-fynd â rhwystriant y llinell drawsyrru fel bod y cerrynt o'r meicroffon yn hollti wrth iddo fynd i mewn i'r newidydd ac yn llifo i gyfeiriadau dirgroes drwy'r coil cynradd. Mae'r fflwcsau magnetig yn cael eu canslo i bob pwrpas ac nid oes unrhyw gerrynt yn cael ei achosi yn y coil eilaidd, felly mae'r coil eilaidd wedi'i ynysu o'r meicroffon.
Fodd bynnag, mae'r signal o'r meicroffon yn dal i fynd i'r llinell ffôn (er gyda rhywfaint o golled), ac mae'r signal sy'n dod i mewn ar y llinell ffôn yn dal i fynd i'r siaradwr (hefyd gyda rhywfaint o golled), gan ganiatáu cyfathrebu dwy ffordd ar yr un llinell ffôn . . Gwifren fetel.
Mae dwplecsydd cytbwys radio yn debyg i ddeublygwr ffôn, ond yn lle meicroffon, set llaw, a gwifren ffôn, defnyddir trosglwyddydd, derbynnydd, ac antena, yn y drefn honno, fel y dangosir yn Ffigur B.
Trydedd ffordd i ynysu'r trosglwyddydd o'r derbynnydd yw dileu hunan-ymyrraeth (SI), a thrwy hynny dynnu'r signal a drosglwyddir o'r signal a dderbynnir. Mae technegau jamio wedi cael eu defnyddio mewn radar a darlledu ers degawdau.
Er enghraifft, yn gynnar yn yr 1980au, datblygodd a marchnata Plessy gynnyrch yn seiliedig ar iawndal SI o'r enw “Groundsat” i ymestyn yr ystod o rwydweithiau cyfathrebu milwrol analog FM hanner-dwplecs4-5.
Mae'r system yn gweithredu fel ailadroddydd un sianel dwplecs llawn, gan ymestyn yr ystod effeithiol o radios hanner dwplecs a ddefnyddir ledled yr ardal waith.
Bu diddordeb yn ddiweddar mewn ataliad hunan-ymyrraeth, yn bennaf oherwydd y duedd tuag at gyfathrebiadau amrediad byr (cellog a Wi-Fi), sy'n gwneud problem ataliad SI yn fwy hylaw oherwydd pŵer trawsyrru is a derbyniad pŵer uwch at ddefnydd defnyddwyr. . Cymwysiadau Mynediad Di-wifr a Backhaul 6-8.
Gellir dadlau bod gan iPhone Apple (gyda chymorth Qualcomm) y galluoedd diwifr ac LTE gorau yn y byd, gan gefnogi 16 band LTE ar un sglodyn. Mae hyn yn golygu mai dim ond dau SKU sydd angen eu cynhyrchu i gwmpasu'r marchnadoedd GSM a CDMA.
Mewn cymwysiadau deublyg heb rannu ymyrraeth, gall atal hunan-ymyrraeth wella effeithlonrwydd sbectrwm trwy ganiatáu i'r uplink ac downlink rannu'r un adnoddau sbectrwm9,10. Gellir defnyddio technegau atal hunan-ymyrraeth hefyd i greu deublygwyr wedi'u teilwra ar gyfer FDD.
Mae'r canslo ei hun fel arfer yn cynnwys sawl cam. Mae'r rhwydwaith cyfeiriadol rhwng yr antena a'r transceiver yn darparu'r lefel gyntaf o wahaniad rhwng y signalau a drosglwyddir ac a dderbynnir. Yn ail, defnyddir prosesu signal analog a digidol ychwanegol i ddileu unrhyw sŵn cynhenid sy'n weddill yn y signal a dderbynnir. Gall y cam cyntaf ddefnyddio antena ar wahân (fel yn SAFE), trawsnewidydd hybrid (a ddisgrifir isod);
Disgrifiwyd problem antenâu ar wahân eisoes. Mae cylchredwyr fel arfer yn fand cul oherwydd eu bod yn defnyddio cyseiniant ferromagnetig yn y grisial. Mae'r dechnoleg hybrid hon, neu Arwahanrwydd Trydanol (EBI), yn dechnoleg addawol a all fod yn fand eang ac o bosibl wedi'i hintegreiddio ar sglodyn.
Fel y dangosir yn y ffigur isod, mae dyluniad pen blaen yr antena smart yn defnyddio dwy antena band cul y gellir eu tiwnio, un ar gyfer trawsyrru ac un ar gyfer derbyn, a phâr o hidlwyr deublyg perfformiad is ond tiwnadwy. Mae antenâu unigol nid yn unig yn darparu rhywfaint o ynysu goddefol ar gost colled lluosogi rhyngddynt, ond mae ganddynt hefyd lled band ebrwydd cyfyngedig (ond tiwnadwy).
Dim ond yn y band amledd trawsyrru y mae'r antena trosglwyddo yn gweithredu'n effeithiol, ac mae'r antena derbyn yn gweithredu'n effeithiol yn y band amledd derbyn yn unig. Yn yr achos hwn, mae'r antena ei hun hefyd yn gweithredu fel hidlydd: mae allyriadau Tx y tu allan i'r band yn cael eu gwanhau gan yr antena trosglwyddo, ac mae hunan-ymyrraeth yn y band Tx yn cael ei wanhau gan yr antena sy'n derbyn.
Felly, mae'r bensaernïaeth yn ei gwneud yn ofynnol i'r antena gael ei diwnio, a gyflawnir trwy ddefnyddio rhwydwaith tiwnio antena. Mae rhywfaint o golled mewnosod anochel mewn rhwydwaith tiwnio antena. Fodd bynnag, mae datblygiadau diweddar mewn cynwysyddion tiwnadwy MEMS18 wedi gwella ansawdd y dyfeisiau hyn yn sylweddol, a thrwy hynny leihau colledion. Mae'r golled mewnosod Rx oddeutu 3 dB, sy'n debyg i gyfanswm colledion y dwplecswr SAW a'r switsh.
Yna caiff yr ynysu sy'n seiliedig ar antena ei ategu gan hidlydd tiwnadwy, sydd hefyd yn seiliedig ar gynwysorau tiwnadwy MEM3, er mwyn ynysu 25 dB o'r antena ac ynysu 25 dB o'r hidlydd. Mae prototeipiau wedi dangos y gellir cyflawni hyn.
Mae sawl grŵp ymchwil yn y byd academaidd a diwydiant yn archwilio’r defnydd o hybridau ar gyfer argraffu deublyg11–16. Mae'r cynlluniau hyn yn dileu OS yn oddefol trwy ganiatáu trosglwyddo a derbyniad ar yr un pryd o un antena, ond ynysu'r trosglwyddydd a'r derbynnydd. Maent yn fand eang eu natur a gellir eu gweithredu ar sglodion, gan eu gwneud yn opsiwn deniadol ar gyfer deublygu amledd mewn dyfeisiau symudol.
Mae datblygiadau diweddar wedi dangos y gellir cynhyrchu trosglwyddyddion FDD sy'n defnyddio EBI o CMOS (Led-ddargludydd Metel Ocsid Cyflenwol) gyda cholled mewnosod, ffigwr sŵn, llinoledd derbynnydd, a nodweddion atal blocio sy'n addas ar gyfer cymwysiadau cellog11,12,13. Fodd bynnag, fel y dengys nifer o enghreifftiau yn y llenyddiaeth academaidd a gwyddonol, mae cyfyngiad sylfaenol yn effeithio ar ynysu deublyg.
Nid yw rhwystriant antena radio yn sefydlog, ond mae'n amrywio yn ôl amlder gweithredu (oherwydd cyseiniant antena) ac amser (oherwydd rhyngweithio ag amgylchedd sy'n newid). Mae hyn yn golygu bod yn rhaid i'r rhwystriant cydbwyso addasu i newidiadau rhwystriant trac, ac mae lled band y datgysylltu yn gyfyngedig oherwydd newidiadau yn y parth amlder13 (gweler Ffigur 1).
Mae ein gwaith ym Mhrifysgol Bryste yn canolbwyntio ar ymchwilio a mynd i'r afael â'r cyfyngiadau perfformiad hyn i ddangos y gellir cyflawni'r ynysu a'r trwybwn anfon/derbyn gofynnol mewn achosion defnydd byd go iawn.
Er mwyn goresgyn amrywiadau rhwystriant antena (sy'n effeithio'n ddifrifol ar unigedd), mae ein algorithm addasol yn olrhain rhwystriant antena mewn amser real, ac mae profion wedi dangos y gellir cynnal perfformiad mewn amrywiaeth o amgylcheddau deinamig, gan gynnwys rhyngweithio â llaw defnyddwyr a ffyrdd a rheilffyrdd cyflym. teithio.
Yn ogystal, er mwyn goresgyn y paru antena cyfyngedig yn y parth amledd, a thrwy hynny gynyddu lled band ac ynysu cyffredinol, rydym yn cyfuno deublygydd cytbwys trydanol gydag ataliad SI gweithredol ychwanegol, gan ddefnyddio ail drosglwyddydd i gynhyrchu signal atal i atal hunan-ymyrraeth ymhellach. (gweler Ffigur 2).
Mae canlyniadau ein gwely prawf yn galonogol: o'i chyfuno ag EBD, gall technoleg weithredol wella trosglwyddo a derbyn ynysu yn sylweddol, fel y dangosir yn Ffigur 3.
Mae ein gosodiad labordy terfynol yn defnyddio cydrannau dyfeisiau symudol cost isel (mwyhaduron pŵer ffôn symudol ac antenâu), gan ei wneud yn gynrychioliadol o weithrediadau ffôn symudol. At hynny, mae ein mesuriadau'n dangos y gall y math hwn o wrthodiad hunan-ymyrraeth dau gam ddarparu'r ynysu dwplecs gofynnol yn y bandiau amlder uplink a downlink, hyd yn oed wrth ddefnyddio offer cost isel, gradd fasnachol.
Rhaid i gryfder y signal y mae dyfais gellog yn ei dderbyn ar ei hystod uchaf fod 12 gorchymyn maint yn is na chryfder y signal y mae'n ei drosglwyddo. Yn Time Division Duplex (TDD), dim ond switsh sy'n cysylltu'r antena â'r trosglwyddydd neu'r derbynnydd yw'r gylched deublyg, felly switsh syml yw'r deublygwr yn TDD. Yn FDD, mae'r trosglwyddydd a'r derbynnydd yn gweithredu ar yr un pryd, ac mae'r dwplecs yn defnyddio hidlwyr i ynysu'r derbynnydd o signal cryf y trosglwyddydd.
Mae'r deublygwr yn y pen blaen FDD cellog yn darparu arwahanrwydd >~ 50 dB yn y band uplink i atal gorlwytho'r derbynnydd â signalau Tx, ac ynysu >~ 50 dB yn y band downlink i atal trosglwyddo y tu allan i'r band. Llai o sensitifrwydd derbynnydd. Yn y band Rx, ychydig iawn o golledion yn y llwybrau trosglwyddo a derbyn.
Mae angen hidlo uchel-Q ar y gofynion colled isel, ynysig uchel hyn, lle mae amleddau'n cael eu gwahanu gan ychydig y cant yn unig, a dim ond trwy ddefnyddio dyfeisiau tonnau acwstig arwyneb (SAW) neu don acwstig corff (BAW) y gellir ei gyflawni hyd yn hyn.
Er bod y dechnoleg yn parhau i esblygu, gyda datblygiadau yn bennaf oherwydd y nifer fawr o ddyfeisiau sydd eu hangen, mae gweithrediad aml-fand yn golygu hidlydd dwplecs oddi ar y sglodion ar wahân ar gyfer pob band, fel y dangosir yn Ffigur A. Mae pob switshis a llwybrydd hefyd yn ychwanegu ymarferoldeb ychwanegol gyda cosbau perfformiad a chyfaddawdau.
Mae ffonau byd-eang fforddiadwy sy'n seiliedig ar dechnoleg gyfredol yn rhy anodd i'w cynhyrchu. Bydd y bensaernïaeth radio sy'n deillio o hyn yn fawr iawn, yn golledus ac yn ddrud. Mae'n rhaid i weithgynhyrchwyr greu amrywiadau cynnyrch lluosog ar gyfer gwahanol gyfuniadau o fandiau sydd eu hangen mewn gwahanol ranbarthau, gan wneud crwydro LTE byd-eang diderfyn yn anodd. Mae'r arbedion maint a arweiniodd at oruchafiaeth GSM yn dod yn fwyfwy anodd eu cyflawni.
Mae galw cynyddol am wasanaethau symudol data cyflym wedi arwain at ddefnyddio rhwydweithiau symudol 4G ar draws 50 o fandiau amledd, gyda hyd yn oed mwy o fandiau i ddod wrth i 5G gael ei ddiffinio'n llawn a'i ddefnyddio'n eang. Oherwydd cymhlethdod y rhyngwyneb RF, nid yw'n bosibl cwmpasu hyn i gyd mewn un ddyfais gan ddefnyddio technolegau cyfredol sy'n seiliedig ar hidlydd, felly mae angen cylchedau RF y gellir eu haddasu a'u hailgyflunio.
Yn ddelfrydol, mae angen dull newydd o ddatrys y broblem ddeublyg, efallai yn seiliedig ar ffilterau tiwnadwy neu ataliad hunan-ymyrraeth, neu gyfuniad o'r ddau.
Er nad oes gennym un dull eto sy'n bodloni'r gofynion niferus o ran cost, maint, perfformiad ac effeithlonrwydd, efallai y bydd darnau'r pos yn dod at ei gilydd ac yn eich poced ymhen ychydig flynyddoedd.
Gall technolegau fel EBD gydag ataliad SI agor y posibilrwydd o ddefnyddio'r un amledd i'r ddau gyfeiriad ar yr un pryd, a all wella effeithlonrwydd sbectrol yn sylweddol.
Amser post: Medi-24-2024