Vor zehn Jahren unterstützten Smartphones typischerweise nur wenige Standards, die in den vier GSM-Frequenzbändern operierten, und möglicherweise einige WCDMA- oder CDMA2000-Standards. Da so wenige Frequenzbänder zur Auswahl stehen, wurde mit „Quadband“-GSM-Telefonen ein gewisses Maß an globaler Einheitlichkeit erreicht, die die 850/900/1800/1900-MHz-Bänder nutzen und überall auf der Welt verwendet werden können (naja, so ziemlich).
Dies ist ein enormer Vorteil für Reisende und schafft enorme Skaleneffekte für Gerätehersteller, die nur wenige Modelle (oder vielleicht auch nur eines) für den gesamten Weltmarkt auf den Markt bringen müssen. Heute ist GSM die einzige drahtlose Zugangstechnologie, die globales Roaming ermöglicht. Übrigens, falls Sie es noch nicht wussten: GSM wird schrittweise abgeschafft.
Jedes Smartphone, das diesen Namen verdient, muss 4G-, 3G- und 2G-Zugang mit unterschiedlichen HF-Schnittstellenanforderungen in Bezug auf Bandbreite, Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit und vielen anderen Parametern unterstützen.
Darüber hinaus decken 4G-Standards aufgrund der fragmentierten Verfügbarkeit des globalen Spektrums eine große Anzahl von Frequenzbändern ab, sodass Betreiber sie auf allen in einem bestimmten Gebiet verfügbaren Frequenzen nutzen können – derzeit insgesamt 50 Bänder, wie es bei den LTE1-Standards der Fall ist. Ein echtes „Welttelefon“ muss in all diesen Umgebungen funktionieren.
Das Hauptproblem, das jeder Mobilfunk lösen muss, ist die „Duplex-Kommunikation“. Wenn wir sprechen, hören wir gleichzeitig zu. Frühe Funksysteme verwendeten Push-to-Talk (einige tun dies noch), aber wenn wir telefonieren, erwarten wir, dass die andere Person uns unterbricht. (Analoge) Mobilfunkgeräte der ersten Generation verwendeten „Duplexfilter“ (oder Duplexer), um den Downlink zu empfangen, ohne durch die Übertragung des Uplinks auf einer anderen Frequenz „betäubt“ zu werden.
Diese Filter kleiner und kostengünstiger zu machen, war eine große Herausforderung für die frühen Telefonhersteller. Bei der Einführung von GSM wurde das Protokoll so konzipiert, dass Transceiver im „Halbduplex-Modus“ arbeiten können.
Dies war eine sehr clevere Möglichkeit, Duplexer zu eliminieren, und trug wesentlich dazu bei, dass GSM zu einer kostengünstigen Mainstream-Technologie wurde, die in der Lage war, die Branche zu dominieren (und dabei die Art und Weise zu verändern, wie Menschen kommunizierten).
Das Essential-Telefon von Andy Rubin, dem Erfinder des Android-Betriebssystems, verfügt über die neuesten Konnektivitätsfunktionen, darunter Bluetooth 5.0LE, verschiedene GSM/LTE und eine in einem Titanrahmen versteckte Wi-Fi-Antenne.
Leider gerieten die aus der Lösung technischer Probleme gewonnenen Erkenntnisse in den technikpolitischen Kriegen in den Anfängen von 3G schnell in Vergessenheit, und die derzeit vorherrschende Form des Frequenzduplexverfahrens (Frequency Division Duplexing, FDD) erfordert einen Duplexer für jedes FDD-Band, in dem es betrieben wird. Es besteht kein Zweifel, dass der LTE-Boom mit steigenden Kostenfaktoren einhergeht.
Während einige Bänder Time Division Duplex oder TDD verwenden können (wobei das Funkgerät schnell zwischen Senden und Empfangen wechselt), gibt es weniger dieser Bänder. Die meisten Betreiber (außer hauptsächlich asiatische) bevorzugen die FDD-Reihe, von der es mehr als 30 gibt.
Das Erbe des TDD- und FDD-Spektrums, die Schwierigkeit, wirklich globale Bänder freizugeben, und die Einführung von 5G mit mehr Bändern machen das Duplexproblem noch komplexer. Zu den vielversprechenden Methoden, die derzeit untersucht werden, gehören neue filterbasierte Designs und die Fähigkeit, Selbstinterferenzen zu eliminieren.
Letzteres bringt auch die etwas vielversprechende Möglichkeit des „fragmentlosen“ Duplex (oder „In-Band-Vollduplex“) mit sich. In der Zukunft der 5G-Mobilkommunikation müssen wir möglicherweise nicht nur FDD und TDD in Betracht ziehen, sondern auch flexibles Duplex auf Basis dieser neuen Technologien.
Forscher der Universität Aalborg in Dänemark haben eine „Smart Antenna Front End“ (SAFE)2-3-Architektur entwickelt, die separate Antennen für Übertragung und Empfang verwendet (siehe Abbildung auf Seite 18) und diese Antennen mit (geringe Leistung) in Kombination mit anpassbaren Antennen kombiniert Filterung, um die gewünschte Sende- und Empfangsisolation zu erreichen.
Obwohl die Leistung beeindruckend ist, ist die Notwendigkeit von zwei Antennen ein großer Nachteil. Da Telefone immer dünner und schlanker werden, wird der für Antennen verfügbare Platz immer kleiner.
Mobile Geräte benötigen außerdem mehrere Antennen für räumliches Multiplexing (MIMO). Mobiltelefone mit SAFE-Architektur und 2×2 MIMO-Unterstützung benötigen nur vier Antennen. Darüber hinaus ist der Abstimmbereich dieser Filter und Antennen begrenzt.
Daher müssen globale Mobiltelefone diese Schnittstellenarchitektur auch replizieren, um alle LTE-Frequenzbänder (450 MHz bis 3600 MHz) abzudecken, was mehr Antennen, mehr Antennentuner und mehr Filter erfordert, was uns wieder zu den häufig gestellten Fragen zurückbringt Multibandbetrieb aufgrund der Duplizierung von Komponenten.
Obwohl in einem Tablet oder Laptop mehr Antennen eingebaut werden können, sind weitere Fortschritte bei der Individualisierung und/oder Miniaturisierung erforderlich, um diese Technologie für Smartphones geeignet zu machen.
Elektrisch symmetrisches Duplex wird seit den Anfängen der drahtgebundenen Telefonie verwendet17. In einem Telefonsystem müssen Mikrofon und Ohrhörer an die Telefonleitung angeschlossen, aber voneinander isoliert sein, damit die eigene Stimme des Benutzers das schwächere eingehende Audiosignal nicht betäubt. Dies wurde vor dem Aufkommen elektronischer Telefone mithilfe von Hybridtransformatoren erreicht.
Die in der folgenden Abbildung dargestellte Duplexschaltung verwendet einen Widerstand mit demselben Wert, um die Impedanz der Übertragungsleitung anzupassen, sodass sich der Strom vom Mikrofon beim Eintritt in den Transformator aufteilt und in entgegengesetzte Richtungen durch die Primärspule fließt. Die Magnetflüsse werden effektiv aufgehoben und in der Sekundärspule wird kein Strom induziert, sodass die Sekundärspule vom Mikrofon isoliert ist.
Das Signal vom Mikrofon geht jedoch immer noch an die Telefonleitung (wenn auch mit etwas Verlust), und das eingehende Signal auf der Telefonleitung geht immer noch an den Lautsprecher (ebenfalls mit etwas Verlust), wodurch eine bidirektionale Kommunikation über dieselbe Telefonleitung ermöglicht wird . . Metalldraht.
Ein symmetrischer Funkduplexer ähnelt einem Telefonduplexer, jedoch werden anstelle eines Mikrofons, eines Hörers und eines Telefonkabels jeweils ein Sender, ein Empfänger und eine Antenne verwendet, wie in Abbildung B dargestellt.
Eine dritte Möglichkeit, den Sender vom Empfänger zu isolieren, besteht darin, Selbstinterferenzen (SI) zu eliminieren und dabei das gesendete Signal vom empfangenen Signal zu subtrahieren. Störtechniken werden seit Jahrzehnten im Radar- und Rundfunkbereich eingesetzt.
Beispielsweise entwickelte und vermarktete Plessy in den frühen 1980er Jahren ein auf SI-Kompensation basierendes Produkt namens „Groundsat“, um die Reichweite der analogen Halbduplex-FM-Militärkommunikationsnetze zu erweitern4-5.
Das System fungiert als Vollduplex-Einkanal-Repeater und erweitert die effektive Reichweite der im gesamten Arbeitsbereich verwendeten Halbduplex-Funkgeräte.
In jüngster Zeit besteht Interesse an der Unterdrückung von Selbstinterferenzen, hauptsächlich aufgrund des Trends zur Kommunikation über kurze Entfernungen (Mobilfunk und Wi-Fi), wodurch das Problem der SI-Unterdrückung aufgrund einer geringeren Sendeleistung und einer höheren Empfangsleistung für den Verbrauchergebrauch leichter zu bewältigen ist . Drahtloser Zugang und Backhaul-Anwendungen 6-8.
Apples iPhone verfügt (mit Hilfe von Qualcomm) wohl über die weltweit besten WLAN- und LTE-Fähigkeiten und unterstützt 16 LTE-Bänder auf einem einzigen Chip. Das bedeutet, dass nur zwei SKUs produziert werden müssen, um die GSM- und CDMA-Märkte abzudecken.
Bei Duplex-Anwendungen ohne gemeinsame Interferenz kann die Selbstinterferenzunterdrückung die Spektrumseffizienz verbessern, indem Uplink und Downlink die gleichen Spektrumsressourcen gemeinsam nutzen9,10. Techniken zur Selbstinterferenzunterdrückung können auch verwendet werden, um benutzerdefinierte Duplexer für FDD zu erstellen.
Die Stornierung selbst besteht in der Regel aus mehreren Schritten. Das Richtnetzwerk zwischen der Antenne und dem Transceiver sorgt für die erste Trennungsebene zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen. Zweitens wird eine zusätzliche analoge und digitale Signalverarbeitung eingesetzt, um verbleibendes Eigenrauschen im Empfangssignal zu eliminieren. Die erste Stufe kann eine separate Antenne (wie bei SAFE), einen Hybridtransformator (unten beschrieben) verwenden;
Das Problem losgelöster Antennen wurde bereits beschrieben. Zirkulatoren sind typischerweise schmalbandig, da sie ferromagnetische Resonanz im Kristall nutzen. Diese Hybridtechnologie oder Electrically Balanced Isolation (EBI) ist eine vielversprechende Technologie, die breitbandig sein und möglicherweise auf einem Chip integriert werden kann.
Wie in der Abbildung unten dargestellt, verwendet das Smart-Antennen-Frontend-Design zwei abstimmbare Schmalbandantennen, eine zum Senden und eine zum Empfangen, sowie ein Paar leistungsschwächerer, aber abstimmbarer Duplexfilter. Einzelne Antennen bieten nicht nur eine gewisse passive Isolierung auf Kosten der Ausbreitungsdämpfung zwischen ihnen, sondern verfügen auch über eine begrenzte (aber einstellbare) Momentanbandbreite.
Die Sendeantenne arbeitet effektiv nur im Sendefrequenzband und die Empfangsantenne arbeitet effektiv nur im Empfangsfrequenzband. In diesem Fall fungiert die Antenne selbst auch als Filter: Tx-Emissionen außerhalb des Bandes werden durch die Sendeantenne gedämpft, und Selbstinterferenzen im Tx-Band werden durch die Empfangsantenne gedämpft.
Daher erfordert die Architektur, dass die Antenne abstimmbar ist, was durch die Verwendung eines Antennenabstimmnetzwerks erreicht wird. In einem Antennenabstimmnetzwerk gibt es unvermeidbare Einfügungsverluste. Jüngste Fortschritte bei abstimmbaren MEMS18-Kondensatoren haben jedoch die Qualität dieser Geräte erheblich verbessert und dadurch Verluste reduziert. Der Rx-Einfügungsverlust beträgt etwa 3 dB, was mit den Gesamtverlusten des SAW-Duplexers und -Schalters vergleichbar ist.
Die antennenbasierte Isolierung wird dann durch einen abstimmbaren Filter ergänzt, der ebenfalls auf abstimmbaren MEM3-Kondensatoren basiert, um eine Isolierung von 25 dB von der Antenne und von 25 dB vom Filter zu erreichen. Prototypen haben gezeigt, dass dies möglich ist.
Mehrere Forschungsgruppen in Wissenschaft und Industrie untersuchen den Einsatz von Hybriden für den Duplexdruck11–16. Diese Schemata eliminieren SI passiv, indem sie gleichzeitiges Senden und Empfangen von einer einzigen Antenne ermöglichen, aber Sender und Empfänger isolieren. Sie sind von Natur aus breitbandig und können auf dem Chip implementiert werden, was sie zu einer attraktiven Option für die Frequenzduplexierung in mobilen Geräten macht.
Jüngste Fortschritte haben gezeigt, dass FDD-Transceiver mit EBI aus CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) mit Einfügungsdämpfung, Rauschzahl, Empfängerlinearität und Blockierungsunterdrückungseigenschaften hergestellt werden können, die für Mobilfunkanwendungen geeignet sind11,12,13. Allerdings gibt es, wie zahlreiche Beispiele in der akademischen und wissenschaftlichen Literatur zeigen, eine grundlegende Einschränkung bei der Duplex-Isolierung.
Die Impedanz einer Funkantenne ist nicht festgelegt, sondern variiert mit der Betriebsfrequenz (aufgrund der Antennenresonanz) und der Zeit (aufgrund der Wechselwirkung mit einer sich ändernden Umgebung). Dies bedeutet, dass sich die Ausgleichsimpedanz an Änderungen der Gleisimpedanz anpassen muss und die Entkopplungsbandbreite aufgrund von Änderungen im Frequenzbereich13 begrenzt ist (siehe Abbildung 1).
Unsere Arbeit an der Universität Bristol konzentriert sich auf die Untersuchung und Behebung dieser Leistungseinschränkungen, um zu zeigen, dass die erforderliche Sende-/Empfangsisolation und der erforderliche Durchsatz in realen Anwendungsfällen erreicht werden können.
Um Schwankungen der Antennenimpedanz (die sich stark auf die Isolierung auswirken) zu überwinden, verfolgt unser adaptiver Algorithmus die Antennenimpedanz in Echtzeit. Tests haben gezeigt, dass die Leistung in einer Vielzahl dynamischer Umgebungen aufrechterhalten werden kann, einschließlich Benutzerinteraktion und Hochgeschwindigkeitsverkehr auf Straße und Schiene reisen.
Um die begrenzte Antennenanpassung im Frequenzbereich zu überwinden und dadurch die Bandbreite und Gesamtisolation zu erhöhen, kombinieren wir außerdem einen elektrisch symmetrischen Duplexer mit zusätzlicher aktiver SI-Unterdrückung und verwenden einen zweiten Sender, um ein Unterdrückungssignal zu erzeugen, um Selbstinterferenzen weiter zu unterdrücken. (siehe Abbildung 2).
Die Ergebnisse unserer Testumgebung sind ermutigend: In Kombination mit EBD kann die aktive Technologie die Sende- und Empfangsisolation erheblich verbessern, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Unser endgültiger Laboraufbau nutzt kostengünstige Mobilgerätekomponenten (Handy-Leistungsverstärker und Antennen) und ist somit repräsentativ für die Implementierung von Mobiltelefonen. Darüber hinaus zeigen unsere Messungen, dass diese Art der zweistufigen Selbstinterferenzunterdrückung die erforderliche Duplex-Isolation in den Uplink- und Downlink-Frequenzbändern bieten kann, selbst wenn kostengünstige Geräte kommerzieller Qualität verwendet werden.
Die Signalstärke, die ein Mobilfunkgerät bei maximaler Reichweite empfängt, muss 12 Größenordnungen niedriger sein als die Signalstärke, die es sendet. Bei Time Division Duplex (TDD) ist die Duplexschaltung einfach ein Schalter, der die Antenne mit dem Sender oder Empfänger verbindet, sodass der Duplexer bei TDD ein einfacher Schalter ist. Bei FDD arbeiten Sender und Empfänger gleichzeitig und der Duplexer verwendet Filter, um den Empfänger vom starken Signal des Senders zu isolieren.
Der Duplexer im Mobilfunk-FDD-Frontend bietet eine Isolierung von >~50 dB im Uplink-Band, um eine Überlastung des Empfängers mit Tx-Signalen zu verhindern, und eine Isolierung von >~50 dB im Downlink-Band, um eine Out-of-Band-Übertragung zu verhindern. Reduzierte Empfängerempfindlichkeit. Im Rx-Band sind die Verluste im Sende- und Empfangspfad minimal.
Diese verlustarmen und hohen Isolationsanforderungen, bei denen die Frequenzen nur um wenige Prozent voneinander getrennt sind, erfordern eine Filterung mit hoher Güte, die bisher nur mit Geräten mit Oberflächenakustikwellen (SAW) oder Körperakustikwellen (BAW) erreicht werden kann.
Während sich die Technologie weiterentwickelt, wobei die Fortschritte größtenteils auf die große Anzahl der erforderlichen Geräte zurückzuführen sind, bedeutet der Multiband-Betrieb einen separaten Off-Chip-Duplexfilter für jedes Band, wie in Abbildung A dargestellt. Alle Switches und Router bieten außerdem zusätzliche Funktionalität Leistungseinbußen und Kompromisse.
Erschwingliche globale Telefone auf Basis der aktuellen Technologie sind zu schwierig herzustellen. Die resultierende Funkarchitektur wird sehr groß, verlustbehaftet und teuer sein. Hersteller müssen mehrere Produktvarianten für unterschiedliche Kombinationen von Bändern erstellen, die in verschiedenen Regionen benötigt werden, was unbegrenztes globales LTE-Roaming erschwert. Die Skaleneffekte, die zur Dominanz von GSM geführt haben, werden immer schwieriger zu erreichen.
Die steigende Nachfrage nach mobilen Diensten mit hoher Datengeschwindigkeit hat zum Einsatz von 4G-Mobilfunknetzen in 50 Frequenzbändern geführt. Mit der vollständigen Definition und weiten Verbreitung von 5G werden noch weitere Bänder hinzukommen. Aufgrund der Komplexität der HF-Schnittstelle ist es mit aktuellen filterbasierten Technologien nicht möglich, all dies in einem einzigen Gerät abzudecken, sodass anpassbare und rekonfigurierbare HF-Schaltkreise erforderlich sind.
Idealerweise ist ein neuer Ansatz zur Lösung des Duplexproblems erforderlich, der möglicherweise auf abstimmbaren Filtern oder der Unterdrückung von Selbstinterferenzen oder einer Kombination aus beidem basiert.
Auch wenn wir noch keinen einzigen Ansatz haben, der die vielen Anforderungen an Kosten, Größe, Leistung und Effizienz erfüllt, werden sich die Puzzleteile vielleicht in ein paar Jahren zusammenfügen und in Ihrer Tasche stecken.
Technologien wie EBD mit SI-Unterdrückung können die Möglichkeit eröffnen, die gleiche Frequenz gleichzeitig in beide Richtungen zu nutzen, was die spektrale Effizienz deutlich verbessern kann.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24.09.2024