Los ingenieros del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un sistema de medición portátil y flexible para respaldar el diseño y las pruebas de laboratorio repetibles de dispositivos de comunicaciones inalámbricas de quinta generación (5G) con una precisión sin precedentes en una amplia gama de frecuencias de señal y escenarios.
El sistema se llama SAMURAI, abreviatura de Medidas de Incertidumbre de Apertura Sintética en Ángulo de Incidencia (Synthetic Aperture Measurements of Uncertainty in Angle of Incidence). El sistema es el primero en ofrecer mediciones inalámbricas 5G con una precisión que se puede rastrear hasta estándares físicos fundamentales, una característica clave porque incluso los errores más pequeños pueden producir resultados engañosos. SAMURAI también es lo suficientemente pequeño para ser transportado a pruebas de campo.
SAMURAI de NIST mide las redes 5G con precisión milimétrica
Los dispositivos móviles como teléfonos celulares, dispositivos Wi-Fi de consumo y radios de seguridad pública ahora operan principalmente a frecuencias electromagnéticas por debajo de los 3 gigahercios (GHz) con antenas que irradian por igual en todas las direcciones. Los expertos predicen que las tecnologías 5G podrían multiplicar por mil las velocidades de datos mediante el uso de frecuencias más altas de «ondas milimétricas» por encima de 24 GHz y patrones de antena altamente direccionales y que cambian activamente. Estos conjuntos de antenas activas ayudan a superar las pérdidas de estas señales de alta frecuencia durante la transmisión. Los sistemas 5G también envían señales a través de múltiples rutas simultáneamente, los llamados canales espaciales, para aumentar la velocidad y superar la interferencia.
Los ingenieros Rodney Leonhardt, Alec Weiss y Jeanne Quimby con SAMURAI de NIST, un sistema de medición portátil para respaldar el diseño y las pruebas de laboratorio repetibles de dispositivos de comunicaciones inalámbricas 5G con una precisión sin precedentes.
Crédito: M. Hammer / NIST
Muchos instrumentos pueden medir algunos aspectos del rendimiento del canal y del dispositivo 5G direccional. Pero la mayoría se enfoca en recopilar instantáneas rápidas en un rango de frecuencia limitado para proporcionar una descripción general de un canal, mientras que SAMURAI proporciona un retrato detallado.
Además, muchos instrumentos son físicamente tan grandes que pueden distorsionar la transmisión y recepción de señales de ondas milimétricas.
Descrito en una conferencia el 7 de agosto , se espera que SAMURAI ayude a resolver muchas preguntas sin respuesta sobre el uso de antenas activas de 5G, como qué sucede cuando se transmiten altas velocidades de datos a través de múltiples canales a la vez. El sistema ayudará a mejorar la teoría, el hardware y las técnicas de análisis para proporcionar modelos de canales precisos y redes eficientes.
La ingeniera electrónica del NIST Kate Remley asegura que SAMURAI proporciona una forma rentable de estudiar muchos problemas de medición de ondas milimétricas, por lo que la técnica será accesible para los laboratorios académicos, así como para los laboratorios de metrología de instrumentación.
“Debido a su trazabilidad a los estándares, los usuarios pueden confiar en las mediciones. La técnica permitirá un mejor diseño de la antena y verificación del rendimiento, y respaldará el diseño de la red «.
SAMURAI mide señales en un amplio rango de frecuencias, actualmente hasta 50 GHz, extendiéndose a 75 GHz el próximo año. El sistema recibió su nombre porque mide las señales recibidas en muchos puntos sobre una cuadrícula o una «apertura sintética» virtual. Esto permite la reconstrucción de la energía entrante en tres dimensiones, incluidos los ángulos de las señales entrantes, que se ve afectada por muchos factores, como la forma en que el campo eléctrico de la señal se refleja en los objetos en la ruta de transmisión.
SAMURAI se puede aplicar a una variedad de tareas, desde verificar el rendimiento de dispositivos inalámbricos con antenas activas hasta medir canales reflectantes en entornos donde los objetos metálicos dispersan las señales. Los investigadores del NIST están utilizando SAMURAI para desarrollar métodos para probar dispositivos industriales de Internet de las cosas en frecuencias de ondas milimétricas.
Los componentes básicos son dos antenas para transmitir y recibir señales, instrumentación con sincronización de tiempo precisa para generar transmisiones de radio y analizar la recepción, y un brazo robótico de seis ejes que posiciona la antena receptora en los puntos de la cuadrícula que forman la apertura sintética. El robot garantiza posiciones de antena precisas y repetibles y traza una variedad de patrones de recepción en el espacio 3D, como formas cilíndricas y hemisféricas.
Se puede colocar una variedad de pequeños objetos metálicos, como placas planas y cilindros, en la configuración de prueba para representar edificios y otros impedimentos del mundo real para la transmisión de señales.
Para mejorar la precisión posicional, también se utiliza un sistema de 10 cámaras para rastrear las antenas y medir la ubicación de los objetos en el canal que dispersan las señales.
El sistema generalmente se conecta a una mesa óptica que mide 5 pies por 14 pies (1,5 metros por 4,3 metros). Pero el equipo es lo suficientemente portátil para usarse en pruebas de campo móviles y trasladarse a otros entornos de laboratorio. La investigación en comunicaciones inalámbricas requiere una combinación de pruebas de laboratorio, que están bien controladas para ayudar a aislar efectos específicos y verificar el rendimiento del sistema, y pruebas de campo, que capturan el rango de condiciones realistas.
Las mediciones pueden requerir horas para completarse, por lo que todos los aspectos del canal (estacionario) se registran para un análisis posterior. Estos valores incluyen factores ambientales como la temperatura y la humedad, la ubicación de los objetos dispersos y la desviación en la precisión del sistema de medición.
El equipo de NIST desarrolló SAMURAI con colaboradores de la Escuela de Minas de Colorado en Golden, Colorado. Los investigadores han verificado el funcionamiento básico y ahora están incorporando incertidumbre debido a reflejos no deseados del brazo robótico, error de posición y patrones de antena en las mediciones.
Documento: A. Weiss, J. Quimby, R. Leonhardt, B. Jamroz, D. Williams, K. Remley, P. Vouras y A. Elsherbeni. Configuración y control de un sistema de medición de apertura sintética de ondas milimétricas con incertidumbres. Documento presentado el 7 de agosto de 2020 en la 95.a Conferencia de Medición de Microondas de ARFTG .
Fuente: NIST
