La percée de la rétrodiffusion fait fonctionner des communicateurs IoT à alimentation quasi nulle à des vitesses 5G partout

La percée de la rétrodiffusion fait fonctionner des communicateurs IoT à alimentation quasi nulle à des vitesses 5G partout

Prototype de matrice mmWave imprimé pour la communication par rétrodiffusion à débit de données Gbit. Crédit : John Kimionis, Nokia Bell Labs

La promesse des réseaux Internet des objets (IoT) 5G nécessite des systèmes de communication plus évolutifs et plus robustes, qui offrent des débits de données considérablement plus élevés et une consommation d’énergie plus faible par appareil.

Les radios à rétrodiffusion (capteurs passifs qui reflètent plutôt que rayonnent l’énergie) sont connues pour leur faible coût, leur faible complexité et leur fonctionnement sans batterie, ce qui en fait un catalyseur potentiel de cet avenir, bien qu’elles présentent généralement de faibles débits de données et leurs performances fortement dépend du milieu environnant.

Des chercheurs du Georgia Institute of Technology, de Nokia Bell Labs et de l’Université Heriot-Watt ont trouvé un moyen peu coûteux pour les radios à rétrodiffusion de prendre en charge la communication à haut débit et le transfert de données à vitesse 5G Gb/sec en utilisant un seul transistor alors qu’auparavant il nécessitait des transistors empilés coûteux et multiples.

En utilisant une approche de modulation unique dans la bande passante 5G 24/28 Gigahertz (GHz), les chercheurs ont montré que ces dispositifs passifs peuvent transférer des données en toute sécurité et de manière robuste à partir de pratiquement n’importe quel environnement. Les résultats ont été rapportés plus tôt ce mois-ci dans le journal Nature Électronique.

Traditionnellement, les communications mmWave, appelées bande de fréquence extrêmement élevée, sont considérées comme « le dernier kilomètre » pour le haut débit, avec des liaisons sans fil point à point et point à multipoint. Cette bande spectrale offre de nombreux avantages, notamment une large bande passante disponible en GHz, qui permet des débits de communication très élevés, et la possibilité de mettre en œuvre des réseaux d’antennes électriquement grands, permettant des capacités de formation de faisceau à la demande. Cependant, de tels systèmes mmWave dépendent de composants et de systèmes coûteux.

La lutte pour la simplicité contre le coût

« En règle générale, c’était la simplicité par rapport au coût. Vous pouviez soit faire des choses très simples avec un transistor, soit avoir besoin de plusieurs transistors pour des fonctionnalités plus complexes, ce qui rendait ces systèmes très coûteux », a déclaré Emmanouil (Manos) Tentzeris, professeur Ken Byers en électronique flexible. à la Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering (ECE). « Maintenant, nous avons amélioré la complexité, la rendant très puissante mais très peu coûteuse, nous obtenons donc le meilleur des deux mondes. »

« Notre percée est de pouvoir communiquer sur des fréquences 5G/ondes millimétriques (mmWave) sans avoir réellement un émetteur radio mmWave complet – un seul transistor mmWave est nécessaire avec une électronique de fréquence beaucoup plus basse, comme celles trouvées dans les téléphones portables ou le WiFi Une fréquence de fonctionnement inférieure maintient la consommation d’énergie de l’électronique et le coût du silicium à un faible niveau », a ajouté le premier auteur Ioannis (John) Kimionis, doctorant de Georgia Tech. diplômé maintenant membre du personnel technique de Nokia Bell Labs. « Notre travail est évolutif pour tout type de modulation numérique et peut être appliqué à tout appareil fixe ou mobile. »

Les chercheurs sont les premiers à utiliser une radio à rétrodiffusion pour les communications mmWave à débit de données gigabit, tout en minimisant la complexité frontale d’un seul transistor haute fréquence. Leur percée comprenait la modulation ainsi que l’ajout de plus d’intelligence au signal qui pilote l’appareil.

« Nous avons conservé le même front-end RF pour augmenter le débit de données sans ajouter plus de transistors à notre modulateur, ce qui en fait un communicateur évolutif », a déclaré Kimionis, ajoutant que leur démonstration montrait comment un seul transistor mmWave peut prendre en charge une large gamme de formats de modulation.

La percée de la rétrodiffusion fait fonctionner des communicateurs IoT à alimentation quasi nulle à des vitesses 5G partout

Le premier auteur, John Kimionis, explique que la percée de la rétrodiffusion ne nécessite qu’un seul transistor mmWave et une électronique de fréquence beaucoup plus basse, comme celles que l’on trouve dans les téléphones portables ou les appareils WiFi. Crédit : John Kimionis, Nokia Bell Labs

Alimenter un hôte de capteurs IoT « intelligents »

La technologie ouvre une multitude d’applications IoT 5G, y compris la récupération d’énergie, que les chercheurs de Georgia Tech ont récemment démontrée à l’aide d’un objectif Rotman spécialisé qui collecte l’énergie électromagnétique 5G dans toutes les directions.

Tentzeris a déclaré que des applications supplémentaires pour la technologie de rétrodiffusion pourraient inclure des réseaux personnels à haute vitesse « durcis » avec des capteurs portables/implantables à puissance nulle pour surveiller les niveaux d’oxygène ou de glucose dans le sang ou les fonctions cardiaques/EEG ; capteurs de maison intelligente qui surveillent la température, les produits chimiques, les gaz et l’humidité ; et des applications agricoles intelligentes pour détecter le gel sur les cultures, analyser les nutriments du sol ou même suivre le bétail.

Les chercheurs ont développé une première preuve de concept de cette modulation de rétrodiffusion, qui a remporté le troisième prix au Nokia Bell Labs Prize 2016. À l’époque, Kimionis était doctorant à Georgia Tech ECE et travaillait avec Tentzeris dans le laboratoire ATHENA, qui fait progresser de nouvelles technologies pour les applications électromagnétiques, sans fil, RF, à ondes millimétriques et sub-térahertz.

Facilitateur clé du faible coût : la fabrication additive

Pour Kimionis, la percée technologique de la rétrodiffusion reflète son objectif de « démocratiser les communications ».

« Tout au long de ma carrière, j’ai cherché des moyens de rendre tous les types de communication plus rentables et plus économes en énergie. Maintenant, parce que l’ensemble du front-end de notre solution a été créé avec une complexité si faible, il est compatible avec l’électronique imprimée. Nous pouvons littéralement imprimer un réseau d’antennes mmWave pouvant prendre en charge un émetteur de faible puissance, de faible complexité et à faible coût. »

Tentzeris considère qu’une impression abordable est cruciale pour rendre viable son marché de la technologie de rétrodiffusion. Georgia Tech est un pionnier de l’impression à jet d’encre sur pratiquement tous les matériaux (papier, plastique, verre, substrats flexibles/organiques) et a été l’un des premiers instituts de recherche à utiliser l’impression 3D jusqu’à des plages de fréquences millimétriques en 2002.


Tirer parti du réseau 5G pour alimenter sans fil les appareils IoT


Plus d’information:
John Kimionis et al, Un modulateur à ondes millimétriques imprimé et un réseau d’antennes pour les communications par rétrodiffusion à des débits de données gigabit, Nature Électronique (2021). DOI : 10.1038 / s41928-021-00588-8

Fourni par le Georgia Institute of Technology

Citation: La percée de la rétrodiffusion exécute des communicateurs IoT à puissance quasi nulle à des vitesses 5G partout (2021, 26 juin) récupéré le 26 juin 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-06-backscatter-breakthrough-near-zero-power- iot-5g.html

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