Sampung taon na ang nakalilipas, ang mga smartphone ay karaniwang sumusuporta lamang sa ilang mga pamantayan na tumatakbo sa apat na GSM frequency band, at marahil ilang mga pamantayan ng WCDMA o CDMA2000. Sa napakakaunting frequency band na mapagpipilian, ang isang tiyak na antas ng pandaigdigang pagkakapareho ay nakamit sa "quad-band" na mga GSM na telepono, na gumagamit ng 850/900/1800/1900 MHz band at maaaring gamitin saanman sa mundo (well, medyo).
Malaking benepisyo ito para sa mga manlalakbay at lumilikha ng malaking ekonomiya para sa mga tagagawa ng device, na kailangan lang maglabas ng ilang modelo (o maaaring isa lang) para sa buong pandaigdigang merkado. Fast forward sa ngayon, ang GSM ay nananatiling ang tanging wireless access technology na nagbibigay ng global roaming. By the way, kung hindi mo alam, unti-unti nang tinatanggal ang GSM.
Ang anumang smartphone na karapat-dapat sa pangalan ay dapat na sumusuporta sa 4G, 3G at 2G na pag-access na may iba't ibang mga kinakailangan sa interface ng RF sa mga tuntunin ng bandwidth, kapangyarihan ng pagpapadala, sensitivity ng receiver at marami pang ibang parameter.
Bukod pa rito, dahil sa pira-pirasong kakayahang magamit ng pandaigdigang spectrum, ang mga pamantayan ng 4G ay sumasaklaw sa isang malaking bilang ng mga frequency band, kaya maaaring gamitin ng mga operator ang mga ito sa anumang mga frequency na available sa anumang partikular na lugar - kasalukuyang 50 mga banda sa kabuuan, tulad ng kaso sa mga pamantayan ng LTE1. Ang isang tunay na "world phone" ay dapat gumana sa lahat ng mga kapaligirang ito.
Ang pangunahing problema na dapat lutasin ng anumang cellular radio ay "duplex communication". Kapag nagsasalita kami, sabay kaming nakikinig. Ang mga naunang sistema ng radyo ay gumamit ng push-to-talk (may ginagawa pa rin), ngunit kapag nakikipag-usap kami sa telepono, inaasahan namin ang ibang tao na aabala sa amin. Ang unang henerasyon (analog) na mga cellular device ay gumamit ng "mga duplex na filter" (o mga duplexer) upang matanggap ang downlink nang hindi "nasindak" sa pamamagitan ng pagpapadala ng uplink sa ibang frequency.
Ang paggawa ng mga filter na ito na mas maliit at mas mura ay isang malaking hamon para sa mga naunang gumagawa ng telepono. Noong ipinakilala ang GSM, ang protocol ay idinisenyo upang ang mga transceiver ay maaaring gumana sa "half duplex mode".
Ito ay isang napakatalino na paraan upang maalis ang mga duplexer, at isang pangunahing salik sa pagtulong sa GSM na maging isang murang, pangunahing teknolohiya na may kakayahang mangibabaw sa industriya (at baguhin ang paraan ng pakikipag-usap ng mga tao sa proseso).
Ang Essential phone mula kay Andy Rubin, ang imbentor ng Android operating system, ay nagtatampok ng mga pinakabagong feature ng connectivity kabilang ang Bluetooth 5.0LE, iba't ibang GSM/LTE at isang Wi-Fi antenna na nakatago sa isang titanium frame.
Sa kasamaang palad, ang mga aral na natutunan mula sa paglutas ng mga teknikal na problema ay mabilis na nakalimutan sa techno-political wars ng mga unang araw ng 3G, at ang kasalukuyang nangingibabaw na anyo ng frequency division duplexing (FDD) ay nangangailangan ng duplexer para sa bawat FDD band kung saan ito nagpapatakbo . Walang alinlangan na ang LTE boom ay kasama ng tumataas na mga kadahilanan sa gastos.
Habang ang ilang banda ay maaaring gumamit ng Time Division Duplex, o TDD (kung saan ang radyo ay mabilis na lumipat sa pagitan ng pagpapadala at pagtanggap), mas kaunti sa mga banda na ito ang umiiral. Karamihan sa mga operator (maliban sa mga pangunahing Asyano) ay mas gusto ang hanay ng FDD, kung saan mayroong higit sa 30.
Ang legacy ng TDD at FDD spectrum, ang kahirapan sa pagpapalaya ng mga tunay na pandaigdigang banda, at ang pagdating ng 5G na may mas maraming banda ay nagpapahirap sa problema ng duplex. Kasama sa mga nangangakong pamamaraan na sinisiyasat ang mga bagong disenyong nakabatay sa filter at ang kakayahang alisin ang panghihimasok sa sarili.
Ang huli ay nagdadala din ng medyo nangangako na posibilidad ng "fragmentless" duplex (o "in-band full duplex"). Sa hinaharap ng mga 5G mobile na komunikasyon, maaaring kailanganin nating isaalang-alang hindi lamang ang FDD at TDD, kundi pati na rin ang flexible duplex batay sa mga bagong teknolohiyang ito.
Ang mga mananaliksik sa Aalborg University sa Denmark ay nakabuo ng isang "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 na arkitektura na gumagamit (tingnan ang larawan sa pahina 18) ng magkakahiwalay na antenna para sa paghahatid at pagtanggap at pinagsasama ang mga antenna na ito sa (mababa ang pagganap) kasama ng nako-customize na pag-filter upang makamit ang nais na paghahatid at pag-iisa sa pagtanggap.
Habang ang pagganap ay kahanga-hanga, ang pangangailangan para sa dalawang antenna ay isang malaking sagabal. Habang payat at pakinisin ang mga telepono, unti-unting lumiliit ang espasyong magagamit para sa mga antenna.
Nangangailangan din ang mga mobile device ng maraming antenna para sa spatial multiplexing (MIMO). Ang mga mobile phone na may SAFE architecture at 2×2 MIMO support ay nangangailangan lamang ng apat na antenna. Bilang karagdagan, ang hanay ng pag-tune ng mga filter at antenna na ito ay limitado.
Kaya't kakailanganin din ng mga pandaigdigang mobile phone na gayahin ang arkitektura ng interface na ito upang masakop ang lahat ng LTE frequency band (450 MHz hanggang 3600 MHz), na mangangailangan ng mas maraming antenna, mas maraming antenna tuner at higit pang mga filter, na nagbabalik sa atin sa mga madalas itanong tungkol sa multi-band na operasyon dahil sa pagdoble ng mga bahagi.
Bagama't mas maraming antenna ang maaaring i-install sa isang tablet o laptop, kailangan ang karagdagang pag-unlad sa pag-customize at/o miniaturization upang gawing angkop ang teknolohiyang ito para sa mga smartphone.
Ginagamit ang electricly balanced duplex mula pa noong mga unang araw ng wireline telephony17. Sa isang sistema ng telepono, ang mikropono at earpiece ay dapat na konektado sa linya ng telepono, ngunit nakahiwalay sa isa't isa upang hindi mabingi ng sariling boses ng user ang mas mahinang papasok na audio signal. Ito ay nakamit gamit ang mga hybrid na transformer bago ang pagdating ng mga elektronikong telepono.
Ang duplex circuit na ipinapakita sa figure sa ibaba ay gumagamit ng resistor ng parehong halaga upang tumugma sa impedance ng transmission line upang ang kasalukuyang mula sa mikropono ay nahati habang ito ay pumapasok sa transpormer at dumadaloy sa magkasalungat na direksyon sa pamamagitan ng pangunahing coil. Ang mga magnetic flux ay epektibong nakansela at walang kasalukuyang naiimpluwensyahan sa pangalawang coil, kaya ang pangalawang coil ay nakahiwalay sa mikropono.
Gayunpaman, ang signal mula sa mikropono ay napupunta pa rin sa linya ng telepono (kahit na may kaunting pagkawala), at ang papasok na signal sa linya ng telepono ay napupunta pa rin sa speaker (na may kaunting pagkawala), na nagpapahintulot sa dalawang-daan na komunikasyon sa parehong linya ng telepono . . Kawad na metal.
Ang isang radio balanced duplexer ay katulad ng isang duplexer ng telepono, ngunit sa halip na isang mikropono, handset, at wire ng telepono, isang transmitter, receiver, at antenna ang ginagamit, ayon sa pagkakabanggit, tulad ng ipinapakita sa Figure B.
Ang ikatlong paraan upang ihiwalay ang transmitter mula sa receiver ay ang pag-alis ng self-interference (SI), at sa gayon ay binabawasan ang ipinadalang signal mula sa natanggap na signal. Ang mga diskarte sa jamming ay ginamit sa radar at pagsasahimpapawid sa loob ng mga dekada.
Halimbawa, noong unang bahagi ng 1980s, bumuo at nag-market si Plessy ng isang produktong nakabatay sa kompensasyon ng SI na tinatawag na "Groundsat" upang palawigin ang hanay ng half-duplex analog FM na mga network ng komunikasyong militar4-5.
Ang system ay gumaganap bilang isang full-duplex single-channel repeater, na nagpapalawak sa epektibong hanay ng mga half-duplex na radyo na ginagamit sa buong lugar ng trabaho.
Nagkaroon ng kamakailang interes sa pagsugpo sa panghihimasok sa sarili, pangunahin dahil sa kalakaran patungo sa mga short-range na komunikasyon (cellular at Wi-Fi), na ginagawang mas madaling pamahalaan ang problema sa pagsugpo sa SI dahil sa mas mababang transmit power at mas mataas na power reception para sa paggamit ng consumer. . Wireless Access at Backhaul Application 6-8.
Ang iPhone ng Apple (na may tulong mula sa Qualcomm) ay malamang na mayroong pinakamahusay na wireless at LTE na kakayahan sa mundo, na sumusuporta sa 16 LTE band sa isang chip. Nangangahulugan ito na dalawang SKU lamang ang kailangang gawin upang masakop ang mga merkado ng GSM at CDMA.
Sa mga duplex na application na walang pagbabahagi ng interference, ang pagsugpo sa self-interference ay maaaring mapabuti ang kahusayan ng spectrum sa pamamagitan ng pagpayag sa uplink at downlink na magbahagi ng parehong mga mapagkukunan ng spectrum9,10. Magagamit din ang mga diskarte sa pagsugpo sa self-interference para gumawa ng mga custom na duplexer para sa FDD.
Ang pagkansela mismo ay karaniwang binubuo ng ilang yugto. Ang itinuro na network sa pagitan ng antenna at ng transceiver ay nagbibigay ng unang antas ng paghihiwalay sa pagitan ng ipinadala at natanggap na mga signal. Pangalawa, ang karagdagang analog at digital na pagpoproseso ng signal ay ginagamit upang maalis ang anumang natitirang intrinsic na ingay sa natanggap na signal. Ang unang yugto ay maaaring gumamit ng hiwalay na antenna (tulad ng sa SAFE), isang hybrid na transpormer (inilarawan sa ibaba);
Ang problema ng mga nakahiwalay na antenna ay inilarawan na. Karaniwang makitid ang mga circulators dahil gumagamit sila ng ferromagnetic resonance sa kristal. Ang hybrid na teknolohiyang ito, o Electrically Balanced Isolation (EBI), ay isang promising technology na maaaring maging broadband at posibleng isama sa isang chip.
Gaya ng ipinapakita sa figure sa ibaba, ang smart antenna front end na disenyo ay gumagamit ng dalawang narrowband tunable antenna, isa para sa pagpapadala at isa para sa receive, at isang pares ng mas mababang pagganap ngunit tunable na duplex na mga filter. Ang mga indibidwal na antenna ay hindi lamang nagbibigay ng ilang passive na paghihiwalay sa halaga ng pagkawala ng pagpapalaganap sa pagitan ng mga ito, ngunit mayroon ding limitado (ngunit mahimig) na agarang bandwidth.
Ang transmitting antenna ay epektibong gumagana lamang sa transmit frequency band, at ang receiving antenna ay epektibo lamang sa receive frequency band. Sa kasong ito, ang antenna mismo ay gumaganap din bilang isang filter: ang mga out-of-band na Tx emissions ay pinahina ng transmitting antenna, at ang self-interference sa Tx band ay pinahina ng tumatanggap na antenna.
Samakatuwid, ang arkitektura ay nangangailangan ng antenna upang maging mahimig, na nakakamit sa pamamagitan ng paggamit ng isang antenna tuning network. Mayroong ilang hindi maiiwasang pagkawala ng pagpapasok sa isang network ng pag-tune ng antenna. Gayunpaman, ang mga kamakailang pag-unlad sa MEMS18 tunable capacitors ay makabuluhang napabuti ang kalidad ng mga device na ito, at sa gayon ay binabawasan ang mga pagkalugi. Ang pagkawala ng pagpasok ng Rx ay humigit-kumulang 3 dB, na maihahambing sa kabuuang pagkalugi ng SAW duplexer at switch.
Ang antenna-based isolation ay kinukumpleto ng isang tunable filter, batay din sa MEM3 tunable capacitors, upang makamit ang 25 dB isolation mula sa antenna at 25 dB isolation mula sa filter. Ang mga prototype ay nagpakita na ito ay maaaring makamit.
Ilang pangkat ng pananaliksik sa akademya at industriya ang nag-e-explore sa paggamit ng mga hybrid para sa duplex printing11–16. Ang mga scheme na ito ay passive na nag-aalis ng SI sa pamamagitan ng pagpayag sa sabay-sabay na paghahatid at pagtanggap mula sa isang antena, ngunit ihiwalay ang transmitter at receiver. Ang mga ito ay likas na broadband at maaaring ipatupad on-chip, na ginagawa silang isang kaakit-akit na opsyon para sa frequency duplexing sa mga mobile device.
Ipinakita ng mga kamakailang pagsulong na ang mga transceiver ng FDD na gumagamit ng EBI ay maaaring gawin mula sa CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) na may pagkawala ng insertion, figure ng ingay, linearity ng receiver, at mga katangian ng pagsugpo sa pagharang na angkop para sa mga cellular application11,12,13. Gayunpaman, tulad ng ipinapakita ng maraming halimbawa sa akademiko at siyentipikong panitikan, mayroong pangunahing limitasyon na nakakaapekto sa paghihiwalay ng duplex.
Ang impedance ng isang radio antenna ay hindi naayos, ngunit nag-iiba sa operating frequency (dahil sa antenna resonance) at oras (dahil sa pakikipag-ugnayan sa isang nagbabagong kapaligiran). Nangangahulugan ito na ang balancing impedance ay dapat umangkop upang subaybayan ang mga pagbabago sa impedance, at ang decoupling bandwidth ay limitado dahil sa mga pagbabago sa frequency domain13 (tingnan ang Figure 1).
Ang aming trabaho sa Unibersidad ng Bristol ay nakatuon sa pagsisiyasat at pagtugon sa mga limitasyon sa pagganap na ito upang ipakita na ang kinakailangang paghiwalay/pagtanggap ng paghihiwalay at throughput ay maaaring makamit sa mga totoong sitwasyon sa paggamit.
Upang malampasan ang mga pagbabago sa impedance ng antenna (na lubhang nakakaapekto sa paghihiwalay), sinusubaybayan ng aming adaptive algorithm ang impedance ng antenna sa real time, at ipinakita ng pagsubok na maaaring mapanatili ang pagganap sa iba't ibang mga dynamic na kapaligiran, kabilang ang pakikipag-ugnayan sa kamay ng user at high-speed na kalsada at tren. paglalakbay.
Bukod pa rito, upang madaig ang limitadong pagtutugma ng antenna sa frequency domain, at sa gayon ay tumataas ang bandwidth at pangkalahatang paghihiwalay, pinagsasama namin ang isang balanseng elektrikal na duplexer na may karagdagang aktibong pagsugpo sa SI, gamit ang pangalawang transmitter upang makabuo ng signal ng pagsugpo para higit pang sugpuin ang panghihimasok sa sarili. (tingnan ang Larawan 2).
Ang mga resulta mula sa aming testbed ay nakapagpapatibay: kapag pinagsama sa EBD, ang aktibong teknolohiya ay maaaring makabuluhang mapabuti ang pagpapadala at pagtanggap ng paghihiwalay, tulad ng ipinapakita sa Figure 3.
Gumagamit ang aming panghuling pag-setup ng laboratoryo ng murang bahagi ng mobile device (mga power amplifier at antenna ng cell phone), na ginagawa itong kinatawan ng mga pagpapatupad ng mobile phone. Bukod dito, ipinapakita ng aming mga sukat na ang ganitong uri ng dalawang yugto ng pagtanggi sa sarili na panghihimasok ay makakapagbigay ng kinakailangang duplex na paghihiwalay sa mga frequency band ng uplink at downlink, kahit na gumagamit ng murang kagamitang pangkomersyal na grado.
Ang lakas ng signal na natatanggap ng cellular device sa maximum na saklaw nito ay dapat na 12 orders of magnitude na mas mababa kaysa sa lakas ng signal na ipinapadala nito. Sa Time Division Duplex (TDD), ang duplex circuit ay simpleng switch na nagkokonekta sa antenna sa transmitter o receiver, kaya ang duplexer sa TDD ay isang simpleng switch. Sa FDD, ang transmitter at receiver ay gumagana nang sabay, at ang duplexer ay gumagamit ng mga filter upang ihiwalay ang receiver mula sa malakas na signal ng transmitter.
Ang duplexer sa cellular FDD front end ay nagbibigay ng >~50 dB isolation sa uplink band para maiwasan ang overloading sa receiver ng mga Tx signal, at >~50 dB isolation sa downlink band para maiwasan ang out-of-band transmission. Nabawasan ang sensitivity ng receiver. Sa Rx band, ang mga pagkalugi sa transmit at receive na mga landas ay minimal.
Ang mga low-loss, high-isolation na mga kinakailangan na ito, kung saan ang mga frequency ay pinaghihiwalay lamang ng ilang porsyento, ay nangangailangan ng high-Q na pag-filter, na sa ngayon ay maaari lamang makamit gamit ang surface acoustic wave (SAW) o body acoustic wave (BAW) na mga device.
Habang patuloy na umuunlad ang teknolohiya, na may mga pag-unlad na higit sa lahat dahil sa malaking bilang ng mga device na kinakailangan, ang pagpapatakbo ng multi-band ay nangangahulugan ng isang hiwalay na off-chip duplex na filter para sa bawat banda, tulad ng ipinapakita sa Figure A. Ang lahat ng switch at router ay nagdaragdag din ng karagdagang functionality na may mga parusa sa pagganap at mga trade-off.
Ang mga abot-kayang pandaigdigang telepono batay sa kasalukuyang teknolohiya ay masyadong mahirap gawin. Ang magreresultang arkitektura ng radyo ay magiging napakalaki, nawawala at mahal. Ang mga tagagawa ay kailangang gumawa ng maraming variant ng produkto para sa iba't ibang kumbinasyon ng mga banda na kailangan sa iba't ibang rehiyon, na nagpapahirap sa walang limitasyong pandaigdigang LTE roaming. Ang economies of scale na humantong sa pangingibabaw ng GSM ay lalong nagiging mahirap na makamit.
Ang pagtaas ng pangangailangan para sa mataas na bilis ng data na mga serbisyo ng mobile ay humantong sa pag-deploy ng mga 4G na mobile network sa 50 frequency band, na may higit pang mga banda na darating habang ang 5G ay ganap na tinukoy at malawak na na-deploy. Dahil sa pagiging kumplikado ng interface ng RF, hindi posible na masakop ang lahat ng ito sa isang solong aparato gamit ang mga kasalukuyang teknolohiyang nakabatay sa filter, kaya kinakailangan ang mga nako-customize at na-reconfigure na RF circuit.
Sa isip, kailangan ang isang bagong diskarte sa paglutas ng problema sa duplex, marahil ay batay sa mga tunable na filter o pagpigil sa panghihimasok sa sarili, o ilang kumbinasyon ng pareho.
Bagama't wala pa kaming isang diskarte na nakakatugon sa maraming hinihingi ng gastos, laki, pagganap at kahusayan, marahil ang mga piraso ng puzzle ay magsasama-sama at nasa iyong bulsa sa loob ng ilang taon.
Ang mga teknolohiya tulad ng EBD na may SI suppression ay maaaring magbukas ng posibilidad ng paggamit ng parehong frequency sa parehong direksyon nang sabay-sabay, na maaaring makabuluhang mapabuti ang spectral na kahusayan.
Oras ng post: Set-24-2024