5G Tanpa Batas: Ilmuwan Jepang Kembangkan Rangkaian Transceiver Bertenaga Nirkabel yang Efisien

Para peneliti telah mengembangkan transceiver relai bertenaga nirkabel inovatif yang meningkatkan jangkauan jaringan 5G, bahkan di space yang koneksinya terhalang.

Para ilmuwan di Tokyo Tech telah merancang rangkaian transceiver bertenaga nirkabel 256 elemen yang inovatif untuk komunikasi 5G non-line-of-sight. Desain baru ini memiliki transmisi daya nirkabel yang efisien dan efisiensi konversi daya yang tinggi, yang dapat meningkatkan jangkauan jaringan 5G bahkan di space dengan blokade jaringan. Fleksibilitas dan space jangkauan yang ditingkatkan berpotensi membuat komunikasi berkecepatan tinggi dan latensi rendah lebih mudah diakses.

Komunikasi gelombang milimeter 5G, yang menggunakan sinyal radio frekuensi sangat tinggi (24 hingga 100 GHz), merupakan teknologi yang menjanjikan untuk komunikasi nirkabel generasi berikutnya, yang menunjukkan kecepatan tinggi, latensi rendah, dan kapasitas jaringan yang besar. Namun, jaringan 5G saat ini menghadapi dua tantangan utama. Yang pertama adalah rasio sinyal terhadap derau (SNR) yang rendah. SNR yang tinggi sangat penting untuk komunikasi yang baik. Tantangan lainnya adalah penyumbatan tautan, yang mengacu pada gangguan sinyal antara pemancar dan penerima karena adanya hambatan seperti bangunan.

Desain transceiver yang diusulkan memungkinkan efisiensi konversi daya dan perolehan konversi yang tinggi, meningkatkan jangkauan jaringan 5G bahkan di space dengan penyumbatan tautan. Kredit: Simposium Gelombang Mikro Internasional IEEE MTT-S 2024

Solusi Beamforming dan Non-Line-of-Sight

Pembentukan berkas merupakan teknik utama untuk komunikasi jarak jauh menggunakan gelombang milimeter yang meningkatkan SNR. Teknik ini menggunakan serangkaian sensor untuk memfokuskan sinyal radio menjadi berkas sempit ke arah tertentu, mirip dengan memfokuskan berkas senter pada satu titik. Akan tetapi, teknik ini terbatas pada komunikasi garis pandang, di mana pemancar dan penerima harus berada dalam garis lurus, dan sinyal yang diterima dapat terdegradasi karena adanya hambatan. Lebih jauh lagi, materials beton dan kaca fashionable dapat menyebabkan kerugian propagasi yang tinggi. Oleh karena itu, ada kebutuhan mendesak untuk sistem relai non-line-of-sight (NLoS) guna memperluas jangkauan jaringan 5G, khususnya di dalam ruangan.

Untuk mengatasi masalah ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Affiliate Professor Atsushi Shirane dari Laboratory for Future Interdisciplinary Analysis of Science and Know-how di Tokyo Institute of Know-how (Tokyo Tech) merancang transceiver relai bertenaga nirkabel baru untuk komunikasi gelombang milimeter 5G 28 GHz (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1). Studi mereka telah dipublikasikan dalam Proceedings of the 2024 IEEE MTT-S Worldwide Microwave Symposium.

Papan tersebut mencakup dioda galium arsenida, IC balun, IC sakelar DPDT, dan IC digital. Rangkaian ini menghasilkan arus searah dari sinyal WPT 24GHz dan secara bersamaan mengonversi sinyal RF 28GHz menjadi sinyal IF 4GHz. Kredit: Simposium Gelombang Mikro Internasional IEEE MTT-S 2024

Menjelaskan motivasi di balik penelitian mereka, Shirane berkata, “Sebelumnya, untuk komunikasi NLoS, dua jenis relai 5G telah dieksplorasi: jenis aktif dan jenis bertenaga nirkabel. Sementara relai aktif dapat mempertahankan SNR yang baik bahkan dengan sedikit rangkaian penyearah, ia memiliki konsumsi daya yang tinggi. Jenis bertenaga nirkabel tidak memerlukan catu daya khusus tetapi membutuhkan banyak rangkaian penyearah untuk mempertahankan SNR karena perolehan konversi yang rendah dan menggunakan dioda CMOS dengan efisiensi konversi daya kurang dari sepuluh persen. Desain kami mengatasi masalah tersebut saat menggunakan sirkuit terpadu (IC) semikonduktor yang tersedia secara komersial.”

Spesifikasi Teknis dan Hasil Pengujian

Transceiver yang diusulkan terdiri dari 256 array penyearah dengan switch daya nirkabel (WPT) 24 GHz. Array ini terdiri dari IC diskret, termasuk dioda gallium arsenide, dan balun, yang menjadi antarmuka antara jalur sinyal seimbang dan tidak seimbang (bal–un), sakelar DPDT, dan IC digital (lihat Gambar 2). Khususnya, transceiver mampu melakukan transmisi information dan daya secara bersamaan, mengubah sinyal WPT 24 GHz menjadi arus searah (DC) dan memfasilitasi transmisi dan penerimaan dua arah 28 GHz pada saat yang sama. Sinyal 24 GHz diterima di setiap penyearah secara particular person, sedangkan sinyal 28 GHz ditransmisikan dan diterima menggunakan beamforming. Kedua sinyal dapat diterima dari arah yang sama atau berbeda dan sinyal 28 GHz dapat ditransmisikan baik dengan retro-reflecting dengan sinyal pilot 24 GHz atau ke arah mana pun.

Pengujian menunjukkan bahwa transceiver yang diusulkan dapat mencapai efisiensi konversi daya sebesar 54% dan perolehan konversi sebesar –19 desibel, lebih tinggi daripada transceiver konvensional sambil mempertahankan SNR dalam jarak jauh. Selain itu, transceiver ini menghasilkan sekitar 56 miliwatt pembangkitan daya yang dapat ditingkatkan lebih jauh lagi dengan meningkatkan jumlah array. Hal ini juga dapat meningkatkan resolusi pancaran transmisi dan penerimaan. “Transceiver yang diusulkan dapat berkontribusi pada penyebaran jaringan 5G gelombang milimeter bahkan ke tempat-tempat yang jaringannya diblokir, sehingga meningkatkan fleksibilitas pemasangan dan space jangkauan,” kata Shirane tentang manfaat perangkat mereka.

Transceiver baru ini akan membuat jaringan 5G lebih umum, membuat komunikasi berkecepatan tinggi dan latensi rendah dapat diakses oleh semua orang!

Pertemuan: Simposium Gelombang Mikro Internasional IEEE MTT-S 2024

Studi ini didanai oleh Kementerian Dalam Negeri dan Komunikasi, Institut Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi, dan Badan Sains dan Teknologi Jepang.