Ricetrasmettitore wireless più veloce del 5G

La nuova architettura del Chip, contenuto nel nuovo ricetrasmettitore wireless, consente un'elaborazione dei dati ultrarapida, con un minore consumo di energia.

Un nuovo ricetrasmettitore wireless progettato dagli ingegneri elettronici dell'Università della California, Irvine aumenta le frequenze radio in territorio di 100 gigahertz, quadruplicando la velocità del prossimo 5G o dei standard di comunicazione wireless di quinta generazione.

Il congegno è stato battezzato dai suoi creatori, nei laboratori di circuiti integrati di comunicazione su scala nanometrica di UCI, con il nome di 'end-to-end transmitter-receiver'. Il chip di silicio da 4,4 millimetri è in grado di elaborare i segnali digitali in modo significativamente più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico nell'ambito dell'architettura analogica. L'innovativo progetto del team è delineato in un documento pubblicato di recente sull'IEEE Journal of Solid-State Circuits. (1)

L'autore senior Payam Heydari, (2) direttore del NCIC Labs e professore di UCI di ingegneria elettrica e informatica, spiega: “chiamiamo il nostro chip 'beyond 5G' perché la velocità combinata di trasmissione dei dati che possiamo raggiungere è superiore di due ordini rispetto alla capacità del nuovo standard wireless. Inoltre, operare con una frequenza più alta significa che tutti noi possiamo fruire di una di larghezza di banda più consistente.”

Lo scienziato asserisce che i ricercatori universitari e gli ingegneri dei circuiti di comunicazione desiderano da tempo sapere se i sistemi wireless sono in grado di raggiungere alte prestazioni e velocità delle reti in fibra ottica. “Se una tale possibilità potesse realizzarsi, cambierebbe il settore delle telecomunicazioni perché l'infrastruttura wireless comporta molti più vantaggi rispetto ai sistemi cablati”, ha affermato Payam Heydari.

Il team ha progettato un nuovo ricetrasmettitore che scavalca lo standard wireless 5G - designato per operare nel range da 28 a 38 gigahertz - per entrare nello standard 6G, che dovrebbe funzionare a 100 gigahertz e oltre.

L'autore principale e ricercatore post-laurea Hossein Mohammadnezhad, (3) uno studente universitario UCI che ha conseguito un dottorato di ricerca in ingegneria elettrica e informatica, puntualizza: “La Federal Communications Commission ha recentemente aperto nuove bande di frequenza superiori a 100 gigahertz. Il nostro nuovo ricetrasmettitore è il primo a fornire funzionalità end-to-end in questa parte dello spettro.”

Disporre di trasmettitori e ricevitori in grado di gestire comunicazioni di dati ad alta frequenza sarà fondamentale per inaugurare una nuova era senza fili dominata dall' “internet delle cose” (internet of things), veicoli autonomi e banda larga ampiamente estesa per lo streaming di contenuti video ad alta definizione e oltre.

Questo sogno digitale ha guidato gli sviluppatori di tecnologia per decenni. Tuttavia, alcuni ostacoli hanno iniziato a comparire sulla strada del progresso.

Secondo il dottor Payam Heydari, la modifica delle frequenze dei segnali attraverso la modulazione e la demodulazione nei ricetrasmettitori è stata tradizionalmente eseguita tramite elaborazione digitale, ma gli ingegneri di circuiti integrati hanno iniziato negli ultimi anni a vedere i limiti fisici di questo metodo. L'ingegnere spiega: “la legge di Moore assume che dovremmo essere in grado di aumentare la velocità dei transistor - come quelli nei trasmettitori e ricevitori - diminuendo le loro dimensioni, ma non è più così. Non è possibile rompere gli elettroni in due, quindi ci siamo avvicinati ai livelli governati dalla fisica dei dispositivi a semiconduttore.”

Per aggirare questo problema, i ricercatori di NCIC Labs hanno utilizzato un'architettura di chip che rilassa significativamente i requisiti di elaborazione digitale modulando i bit digitali nei domini analogici e di radiofrequenza.

L'ingegner Payam Heydari ha affermato che oltre a consentire la trasmissione di segnali nell'intervallo di 100 gigahertz, il layout unico del ricetrasmettitore consente di consumare considerevolmente meno energia rispetto ai sistemi attuali a un costo complessivo ridotto, aprendo la strada ad un'adozione diffusa nel mercato dell'elettronica di consumo.

Il coautore Huan Wang, uno studente di dottorato UCI in ingegneria elettrica e informatica e membro di NCIC Labs, ha affermato che la tecnologia combinata con sistemi phased array - che utilizzano antenne multiple per pilotare i fasci - facilita un numero di applicazioni dirompenti nel trasferimento dati wireless e comunicazione. Egli dichiara: “la nostra innovazione elimina la necessità di chilometri di cavi a fibre ottiche nei data center, quindi gli operatori di data farm possono effettuare trasferimenti wireless ultrarapidi risparmiando considerevolmente su hardware, raffreddamento e alimentazione.”

TowerJazz e STMicroelectronics hanno fornito servizi di fabbricazione di semiconduttori per supportare questo progetto di ricerca.

Riferimenti:

(1) A 115-135-GHz 8PSK Receiver Using Multi-Phase RF-Correlation-Based Direct-Demodulation Method

(2) Payam Heydari

(3) Current Members – Nanoscale Communication Integrated Circuits (NCIC) Labs

Descrizione foto: Il chip 'end-to-end transmitter-receiver' vanta un'architettura unica che combina componenti digitali e analogici su un'unica piattaforma, consentendo un'elaborazione dei dati ultraveloce e un consumo energetico ridotto. - Credit: Steve Zylius / UCI.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: UCI electrical engineering team develops ‘beyond 5G’ wireless transceiver