For ti år siden understøttede smartphones typisk kun nogle få standarder, der opererede i de fire GSM-frekvensbånd, og måske nogle få WCDMA- eller CDMA2000-standarder. Med så få frekvensbånd at vælge imellem, er der opnået en vis grad af global ensartethed med "quad-band" GSM-telefoner, som bruger 850/900/1800/1900 MHz-båndene og kan bruges overalt i verden (vel, stort set).
Dette er en kæmpe fordel for rejsende og skaber enorme stordriftsfordele for enhedsproducenter, som kun behøver at frigive nogle få modeller (eller måske bare én) til hele det globale marked. Spol frem til i dag, GSM er fortsat den eneste trådløse adgangsteknologi, der giver global roaming. Forresten, hvis du ikke vidste det, så er GSM gradvist ved at blive udfaset.
Enhver smartphone, der er værdig til navnet, skal understøtte 4G-, 3G- og 2G-adgang med varierende RF-grænsefladekrav med hensyn til båndbredde, sendeeffekt, modtagerfølsomhed og mange andre parametre.
På grund af den fragmenterede tilgængelighed af det globale spektrum dækker 4G-standarder desuden et stort antal frekvensbånd, så operatører kan bruge dem på alle tilgængelige frekvenser i et givet område – i øjeblikket 50 bånd i alt, som det er tilfældet med LTE1-standarder. En ægte "verdenstelefon" skal fungere i alle disse miljøer.
Det centrale problem, som enhver mobilradio skal løse, er "duplekskommunikation". Når vi taler, lytter vi på samme tid. Tidlige radiosystemer brugte push-to-talk (nogle gør det stadig), men når vi taler i telefon, forventer vi, at den anden person afbryder os. Første generation (analoge) cellulære enheder brugte "dupleksfiltre" (eller dupleksere) til at modtage downlinket uden at blive "bedøvet" ved at transmittere uplinket på en anden frekvens.
At gøre disse filtre mindre og billigere var en stor udfordring for tidlige telefonproducenter. Da GSM blev introduceret, blev protokollen designet således, at transceivere kunne fungere i "halv duplekstilstand".
Dette var en meget smart måde at eliminere duplexere på og var en vigtig faktor i at hjælpe GSM med at blive en lavpris, mainstream-teknologi, der er i stand til at dominere industrien (og ændre den måde, folk kommunikerede på i processen).
The Essential-telefonen fra Andy Rubin, opfinderen af Android-operativsystemet, har de nyeste tilslutningsfunktioner, herunder Bluetooth 5.0LE, forskellige GSM/LTE og en Wi-Fi-antenne skjult i en titaniumramme.
Desværre blev erfaringerne fra løsningen af tekniske problemer hurtigt glemt i de teknopolitiske krige i de tidlige dage af 3G, og den i øjeblikket dominerende form for frekvensdelingsdupleksing (FDD) kræver en duplekser for hvert FDD-bånd, som den opererer i. Der er ingen tvivl om, at LTE-boomet kommer med stigende omkostningsfaktorer.
Mens nogle bånd kan bruge Time Division Duplex eller TDD (hvor radioen hurtigt skifter mellem at sende og modtage), findes der færre af disse bånd. De fleste operatører (undtagen hovedsagelig asiatiske) foretrækker FDD-serien, som der er mere end 30 af.
Arven fra TDD- og FDD-spektrum, vanskeligheden ved at frigøre virkelig globale bånd og fremkomsten af 5G med flere bånd gør duplex-problemet endnu mere komplekst. Lovende metoder, der undersøges, omfatter nye filterbaserede designs og evnen til at eliminere selvinterferens.
Sidstnævnte bringer også den noget lovende mulighed for "fragmentløs" duplex (eller "in-band fuld duplex") med sig. I fremtiden for 5G-mobilkommunikation skal vi muligvis overveje ikke kun FDD og TDD, men også fleksibel duplex baseret på disse nye teknologier.
Forskere ved Aalborg Universitet i Danmark har udviklet en "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3-arkitektur, der bruger (se illustration på side 18) separate antenner til transmission og modtagelse og kombinerer disse antenner med (lav ydeevne) i kombination med tilpasselig filtrering for at opnå den ønskede transmissions- og modtagelsesisolering.
Selvom ydeevnen er imponerende, er behovet for to antenner en stor ulempe. Efterhånden som telefoner bliver tyndere og slankere, bliver den tilgængelige plads til antenner mindre og mindre.
Mobile enheder kræver også flere antenner til spatial multipleksing (MIMO). Mobiltelefoner med SIKKER arkitektur og 2×2 MIMO-understøttelse kræver kun fire antenner. Derudover er indstillingsområdet for disse filtre og antenner begrænset.
Så globale mobiltelefoner bliver også nødt til at replikere denne grænsefladearkitektur for at dække alle LTE-frekvensbånd (450 MHz til 3600 MHz), hvilket vil kræve flere antenner, flere antennetunere og flere filtre, hvilket bringer os tilbage til de ofte stillede spørgsmål, spørgsmål om flerbåndsdrift på grund af duplikering af komponenter.
Selvom flere antenner kan installeres i en tablet eller bærbar computer, er der behov for yderligere fremskridt inden for tilpasning og/eller miniaturisering for at gøre denne teknologi velegnet til smartphones.
Elektrisk afbalanceret duplex er blevet brugt siden de tidlige dage af kabeltelefoni17. I et telefonanlæg skal mikrofon og øresnegl være forbundet til telefonlinjen, men isoleret fra hinanden, så brugerens egen stemme ikke overdøver det svagere indgående lydsignal. Dette blev opnået ved hjælp af hybridtransformatorer før fremkomsten af elektroniske telefoner.
Duplekskredsløbet vist i figuren nedenfor bruger en modstand af samme værdi til at matche transmissionslinjens impedans, så strømmen fra mikrofonen splittes, når den kommer ind i transformeren og strømmer i modsatte retninger gennem primærspolen. De magnetiske fluxer udlignes effektivt, og der induceres ingen strøm i den sekundære spole, så den sekundære spole er isoleret fra mikrofonen.
Signalet fra mikrofonen går dog stadig til telefonlinjen (omend med et vist tab), og det indgående signal på telefonlinjen går stadig til højttaleren (også med et vist tab), hvilket tillader tovejskommunikation på den samme telefonlinje . . Metaltråd.
En radiobalanceret dupleksenhed ligner en telefonduplekser, men i stedet for en mikrofon, håndsæt og telefonledning bruges henholdsvis en sender, modtager og antenne som vist i figur B.
En tredje måde at isolere senderen fra modtageren på er at eliminere selvinterferens (SI) og derved trække det transmitterede signal fra det modtagne signal. Jamming-teknikker er blevet brugt i radar og udsendelse i årtier.
For eksempel udviklede og markedsførte Plessy i begyndelsen af 1980'erne et SI-kompensationsbaseret produkt kaldet "Groundsat" for at udvide rækken af halv-dupleks analoge FM militære kommunikationsnetværk4-5.
Systemet fungerer som en fuld-dupleks enkeltkanals repeater, der udvider det effektive udvalg af halv-dupleks radioer, der bruges i hele arbejdsområdet.
Der har på det seneste været interesse for undertrykkelse af selvinterferens, hovedsageligt på grund af tendensen til kortdistancekommunikation (cellulært og Wi-Fi), hvilket gør problemet med SI-undertrykkelse mere håndterbart på grund af lavere sendeeffekt og højere effektmodtagelse til forbrugerbrug . Trådløs adgang og backhaul-applikationer 6-8.
Apples iPhone (med hjælp fra Qualcomm) har uden tvivl verdens bedste trådløse og LTE-funktioner, der understøtter 16 LTE-bånd på en enkelt chip. Det betyder, at der kun skal produceres to SKU'er for at dække GSM- og CDMA-markedet.
I duplex-applikationer uden interferensdeling kan selvinterferensundertrykkelse forbedre spektrumeffektiviteten ved at tillade uplink og downlink at dele de samme spektrumressourcer9,10. Selvinterferensundertrykkelsesteknikker kan også bruges til at skabe brugerdefinerede dupleksenheder til FDD.
Selve aflysningen består normalt af flere faser. Retningsnetværket mellem antennen og transceiveren giver det første niveau af adskillelse mellem de transmitterede og modtagne signaler. For det andet bruges yderligere analog og digital signalbehandling til at eliminere eventuel resterende iboende støj i det modtagne signal. Det første trin kan bruge en separat antenne (som i SAFE), en hybrid transformer (beskrevet nedenfor);
Problemet med adskilte antenner er allerede blevet beskrevet. Cirkulatorer er typisk smalbåndede, fordi de bruger ferromagnetisk resonans i krystallen. Denne hybridteknologi, eller Electrically Balanced Isolation (EBI), er en lovende teknologi, der kan være bredbånd og potentielt integreret på en chip.
Som vist i figuren nedenfor, bruger det smarte antenne-frontend-design to smalbånds-tunerbare antenner, en til transmission og en til modtagelse og et par dupleksfiltre med lavere ydeevne, men som kan indstilles. Individuelle antenner giver ikke kun en vis passiv isolation på bekostning af udbredelsestab mellem dem, men har også begrænset (men afstembar) øjeblikkelig båndbredde.
Sendeantennen fungerer kun effektivt i sendefrekvensbåndet, og modtageantennen fungerer kun effektivt i modtagefrekvensbåndet. I dette tilfælde fungerer selve antennen også som et filter: Tx-emissioner uden for båndet dæmpes af sendeantennen, og selvinterferens i Tx-båndet dæmpes af den modtagende antenne.
Derfor kræver arkitekturen, at antennen er tunbar, hvilket opnås ved at bruge et antennetuning-netværk. Der er noget uundgåeligt tab af indsættelse i et antennetuning-netværk. Imidlertid har de seneste fremskridt inden for MEMS18 afstembare kondensatorer markant forbedret kvaliteten af disse enheder og derved reduceret tab. Rx-indsættelsestabet er cirka 3 dB, hvilket er sammenligneligt med det samlede tab af SAW-dupleksenheden og switchen.
Den antennebaserede isolation suppleres derefter af et tunbart filter, også baseret på MEM3 tunable kondensatorer, for at opnå 25 dB isolation fra antennen og 25 dB isolation fra filteret. Prototyper har vist, at dette kan opnås.
Adskillige forskningsgrupper i den akademiske verden og industrien undersøger brugen af hybrider til dupleksudskrivning11-16. Disse ordninger eliminerer passivt SI ved at tillade samtidig transmission og modtagelse fra en enkelt antenne, men isolerer sender og modtager. De er af bredbåndsnatur og kan implementeres på chip, hvilket gør dem til en attraktiv mulighed for frekvensdupleksing i mobile enheder.
Nylige fremskridt har vist, at FDD-transceivere, der anvender EBI, kan fremstilles af CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) med indføringstab, støjtal, modtagerlinearitet og blokeringsundertrykkelseskarakteristika, der er egnede til cellulære applikationer11,12,13. Men som talrige eksempler i den akademiske og videnskabelige litteratur viser, er der en grundlæggende begrænsning, der påvirker duplex-isolation.
Impedansen af en radioantenne er ikke fast, men varierer med driftsfrekvens (på grund af antenneresonans) og tid (på grund af interaktion med et skiftende miljø). Det betyder, at balanceringsimpedansen skal tilpasses til at spore impedansændringer, og afkoblingsbåndbredden er begrænset på grund af ændringer i frekvensdomænet13 (se figur 1).
Vores arbejde på University of Bristol er fokuseret på at undersøge og adressere disse præstationsbegrænsninger for at demonstrere, at den påkrævede send/modtag-isolering og gennemløb kan opnås i virkelige brugssager.
For at overvinde antenneimpedansfluktuationer (som alvorligt påvirker isolation), sporer vores adaptive algoritme antenneimpedans i realtid, og test har vist, at ydeevnen kan opretholdes i en række dynamiske miljøer, herunder brugerhåndet interaktion og højhastighedsveje og jernbaner rejse.
Derudover, for at overvinde den begrænsede antennetilpasning i frekvensdomænet og derved øge båndbredden og den samlede isolation, kombinerer vi en elektrisk afbalanceret duplekser med yderligere aktiv SI-undertrykkelse ved at bruge en anden sender til at generere et undertrykkelsessignal for yderligere at undertrykke selvinterferens. (se figur 2).
Resultaterne fra vores testbed er opmuntrende: Når den kombineres med EBD, kan aktiv teknologi forbedre transmissions- og modtageisolationen markant, som vist i figur 3.
Vores endelige laboratorieopsætning bruger billige mobilenhedskomponenter (mobiltelefoneffektforstærkere og antenner), hvilket gør den repræsentativ for mobiltelefonimplementeringer. Desuden viser vores målinger, at denne type to-trins selvinterferensafvisning kan give den nødvendige dupleksisolering i uplink- og downlink-frekvensbåndene, selv ved brug af billigt udstyr af kommerciel kvalitet.
Signalstyrken, som en mobilenhed modtager ved sit maksimale område, skal være 12 størrelsesordener lavere end den signalstyrke, den sender. I Time Division Duplex (TDD) er duplex-kredsløbet simpelthen en switch, der forbinder antennen med senderen eller modtageren, så duplexeren i TDD er en simpel switch. I FDD fungerer senderen og modtageren samtidigt, og dupleksenheden bruger filtre til at isolere modtageren fra senderens stærke signal.
Duplexeren i den cellulære FDD-frontend giver >~50 dB isolation i uplink-båndet for at forhindre overbelastning af modtageren med Tx-signaler, og >~50 dB isolation i downlink-båndet for at forhindre transmission uden for båndet. Reduceret modtagerfølsomhed. I Rx-båndet er tabene i sende- og modtagestierne minimale.
Disse krav til lavt tab og høj isolering, hvor frekvenser kun adskilles med nogle få procent, kræver høj-Q-filtrering, som indtil videre kun kan opnås ved brug af overflade akustisk bølge (SAW) eller krops akustisk bølge (BAW) enheder.
Mens teknologien fortsætter med at udvikle sig, med fremskridt hovedsagelig på grund af det store antal enheder, der kræves, betyder multibåndsdrift et separat off-chip dupleksfilter for hvert bånd, som vist i figur A. Alle switche og routere tilføjer også yderligere funktionalitet med præstationsstraffe og afvejninger.
Prisbillige globale telefoner baseret på nuværende teknologi er for svære at fremstille. Den resulterende radioarkitektur vil være meget stor, tabsgivende og dyr. Producenter skal skabe flere produktvarianter for forskellige kombinationer af bånd, der er nødvendige i forskellige regioner, hvilket gør ubegrænset global LTE-roaming vanskelig. De stordriftsfordele, der førte til GSM's dominans, bliver stadig sværere at opnå.
Stigende efterspørgsel efter mobiltjenester med høj datahastighed har ført til udbredelsen af 4G-mobilnetværk på tværs af 50 frekvensbånd, med endnu flere bånd på vej, da 5G er fuldt defineret og bredt udbredt. På grund af kompleksiteten af RF-grænsefladen er det ikke muligt at dække alt dette i en enkelt enhed ved hjælp af nuværende filterbaserede teknologier, så der kræves tilpassede og rekonfigurerbare RF-kredsløb.
Ideelt set er der behov for en ny tilgang til at løse duplex-problemet, måske baseret på justerbare filtre eller undertrykkelse af selvinterferens eller en kombination af begge.
Selvom vi endnu ikke har en enkelt tilgang, der opfylder de mange krav om omkostninger, størrelse, ydeevne og effektivitet, vil brikkerne i puslespillet måske samles og være i din lomme om et par år.
Teknologier som EBD med SI-undertrykkelse kan åbne muligheden for at bruge den samme frekvens i begge retninger samtidigt, hvilket kan forbedre den spektrale effektivitet markant.
Indlægstid: 24. september 2024