Radio backscatter utilizzate per comunicazioni mmWave con velocità dati gigabit / Backscatter radios used for gigabit-data rate mmWave communications

 Radio backscatter utilizzate per comunicazioni mmWave con velocità dati gigabit / Backscatter radios used for gigabit-data rate mmWave communications

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Prototipo stampato dell'array mmWave per la comunicazione backscatter con velocità dati Gbit / Printed mmWave array prototype for Gbit-data rate backscatter communication (Credit: John Kimionis, Nokia Bell Labs)

I ricercatori hanno sviluppato un modo a basso costo per le radio di backscatter per supportare la comunicazione ad alto rendimento e il trasferimento di dati a velocità 5G Gb/sec utilizzando un singolo transistor. 

La svolta dei ricercatori del Georgia Institute of Technology (GATECH), dei Nokia Bell Labs e della Heriot-Watt University potrebbe portare a reti Internet of Things (IoT) 5G a basso costo e bassa potenza.

Le radio a retrodiffusione, sensori passivi che riflettono anziché irradiare energia, sono note per la loro economia, bassa complessità e funzionamento senza batteria, il che le rende un potenziale fattore chiave per tali reti, ma in genere presentano velocità di trasmissione dati basse e le loro prestazioni dipendono da l'ambiente circostante.

Per superare questo problema, il team ha utilizzato un approccio di modulazione unico nella larghezza di banda 5G 24/28 GHz e ha dimostrato che questi dispositivi passivi possono trasferire dati in modo sicuro e robusto praticamente da qualsiasi ambiente. I risultati sono stati riportati su  Nature Electronics .

Secondo GATECH, le comunicazioni mmWave sono considerate "l'ultimo miglio" per la banda larga, con collegamenti wireless diretti punto-punto e punto-multipunto. Si dice che questa banda di spettro offra vantaggi tra cui un'ampia larghezza di banda GHz disponibile, che consente velocità di comunicazione molto elevate, e la capacità di implementare array di antenne elettricamente grandi, consentendo capacità di beamforming su richiesta. Tuttavia, tali sistemi mmWave dipendono da componenti e sistemi ad alto costo.

“In genere, era semplicità contro costo. Potresti fare cose molto semplici con un transistor o hai bisogno di più transistor per funzionalità più complesse, il che ha reso questi sistemi molto costosi", ha affermato Emmanouil (Manos) Tentzeris, Ken Byers Professor in Flexible Electronics presso la School of Electrical and Computer Engineering della Georgia Tech. . "Ora abbiamo migliorato la complessità, rendendolo molto potente ma a un costo molto basso, quindi stiamo ottenendo il meglio da entrambi i mondi".

"La nostra svolta è essere in grado di comunicare su frequenze 5G/millimetro [mmWave] senza avere effettivamente un trasmettitore radio mmWave completo: è necessario solo un singolo transistor mmWave lungo l'elettronica a frequenza molto più bassa, come quelle che si trovano nei telefoni cellulari o Wi -Dispositivi Fi. Una frequenza operativa più bassa mantiene basso il consumo di energia dell'elettronica e il costo del silicio", ha aggiunto il primo autore Ioannis (John) Kimionis, un Georgia Tech Ph.D. laureato ora membro dello staff tecnico presso i Nokia Bell Labs. “Il nostro lavoro è scalabile per qualsiasi tipo di modulazione digitale e può essere applicato a qualsiasi dispositivo fisso o mobile.”

Si dice che i ricercatori siano i primi a utilizzare una radio backscatter per comunicazioni mmWave a velocità dati gigabit, riducendo al minimo la complessità del front-end per un singolo transistor ad alta frequenza. GATECH ha aggiunto che la loro svolta includeva la modulazione e l'aggiunta di più intelligenza al segnale che guida il dispositivo.

"Abbiamo mantenuto lo stesso front-end RF per aumentare la velocità dei dati senza aggiungere più transistor al nostro modulatore, il che lo rende un comunicatore scalabile", ha affermato Kimionis in una nota.

La tecnologia apre una serie di applicazioni IoT 5G, inclusa la raccolta di energia, che i ricercatori di Georgia Tech hanno recentemente dimostrato utilizzando una lente Rotman specializzata che raccoglie energia elettromagnetica 5G da tutte le direzioni.

Tentzeris ha affermato che ulteriori applicazioni per la tecnologia di backscatter potrebbero includere reti di aree personali "robuste" ad alta velocità con sensori indossabili/impiantabili a potenza zero per il monitoraggio dei livelli di ossigeno o glucosio nel sangue o funzioni cardiache/EEG; sensori per la casa intelligente che monitorano la temperatura, i prodotti chimici, i gas e l'umidità; e applicazioni agricole intelligenti per rilevare il gelo sui raccolti, analizzare i nutrienti del suolo o monitorare il bestiame.

ENGLISH

Researchers have developed a low-cost way for backscatter radios to support high-throughput communication and 5G-speed Gb/sec data transfer using a single transistor. 

The breakthrough by researchers at the Georgia Institute of Technology (GATECH), Nokia Bell Labs, and Heriot-Watt University could lead to low cost, low power 5G Internet of Things (IoT) networks.

Backscatter radios – passive sensors that reflect rather than radiate energy – are known for their economy, low-complexity, and battery-free operation, making them a potential key enabler of such networks but they typically feature low data rates, and their performance depends on the surrounding environment.

To overcome this, the team employed a unique modulation approach in the 5G 24/28GHz bandwidth and demonstrated that these passive devices can transfer data safely and robustly from virtually any environment. The findings have been reported in Nature Electronics.

According to GATECH, mmWave communications is considered ‘the last mile’ for broadband, with directive point-to-point and point-to-multipoint wireless links. This spectrum band is said to offer advantages including wide available GHz bandwidth, which enables very large communication rates, and the ability to implement electrically large antenna arrays, enabling on-demand beamforming capabilities. However, such mmWave systems depend on high-cost components and systems.

“Typically, it was simplicity against cost. You could either do very simple things with one transistor or you need multiple transistors for more complex features, which made these systems very expensive,” said Emmanouil (Manos) Tentzeris, Ken Byers Professor in Flexible Electronics in Georgia Tech’s School of Electrical and Computer Engineering. “Now we’ve enhanced the complexity, making it very powerful but very low cost, so we’re getting the best of both worlds.”

“Our breakthrough is being able to communicate over 5G/millimetre-wave [mmWave] frequencies without actually having a full mmWave radio transmitter – only a single mmWave transistor is needed along much lower frequency electronics, such as the ones found in cell phones or Wi-Fi devices. Lower operating frequency keeps the electronics’ power consumption and silicon cost low,” added first author Ioannis (John) Kimionis, a Georgia Tech Ph.D. graduate now a member of technical staff at Nokia Bell Labs. “Our work is scalable for any type of digital modulation and can be applied to any fixed or mobile device.”

The researchers are said to be the first to use a backscatter radio for gigabit-data rate mmWave communications, while minimising the front-end complexity to a single high-frequency transistor. GATECH added that their breakthrough included the modulation as well as adding more intelligence to the signal that is driving the device.

“We kept the same RF front-end for scaling up the data rate without adding more transistors to our modulator, which makes it a scalable communicator,” Kimionis said in a statement.

The technology opens up a host of IoT 5G applications, including energy harvesting, which Georgia Tech researchers recently demonstrated using a specialised Rotman lens that collects 5G electromagnetic energy from all directions.

Tentzeris said additional applications for the backscatter technology could include ‘rugged’ high-speed personal area networks with zero-power wearable/implantable sensors for monitoring oxygen or glucose levels in the blood or cardiac/EEG functions; smart home sensors that monitor temperature, chemicals, gases, and humidity; and smart agricultural applications for detecting frost on crops, analysing soil nutrients, or tracking livestock.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/backscatter-radios-mmwave-communications/