Esterno mm

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13945 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Il beamforming analogico adattivo è una tecnologia chiave per consentire il controllo spaziale dei segnali wireless a onde millimetriche irradiati da antenne a schiera di fasi (PAA), essenziale per massimizzare la capacità delle future reti mobili e garantire un utilizzo efficiente dello spettro limitato. La frequenza intermedia su fibra (IFoF), d'altra parte, è una tecnologia promettente per il fronthaul mobile a onde millimetriche (onde mm) grazie alla sua bassa complessità, elevata efficienza spettrale ottica e bassa latenza. La combinazione di IFoF e PAA è fondamentale per implementare le comunicazioni mobili a onde millimetriche in modo scalabile, centralizzato, efficiente e affidabile. Questo lavoro presenta, per la prima volta per quanto a conoscenza degli autori, un'ampia campagna di misurazioni all'aperto in cui una configurazione wireless sperimentale IFoF a onde mm viene valutata utilizzando PAA con beamforming adattivo sui lati del trasmettitore e del ricevitore. La configurazione dell'apparato sperimentale è secondo gli standard 5G, trasmettendo segnali in modalità wireless alla frequenza centrale di 27 GHz nella banda n258. I PAA utilizzati sono composti da array di antenne patch 8 x 8, che consentono la guida del raggio negli angoli di azimut ed elevazione. Inoltre, nell'esperimento all'aperto vengono testati diversi luoghi degli utenti finali, configurazioni di antenne e scenari wireless, mostrando eccellenti prestazioni EVM e ottenendo una trasmissione 64-QAM fino a 165,5 m a una velocità massima di 1,88 Gbit/s. I risultati sperimentali consentono l'ottimizzazione della configurazione sperimentale per diversi scenari e dimostrano l'affidabilità del sistema in diverse condizioni wireless. Inoltre, i risultati di questo lavoro dimostrano la fattibilità e il potenziale di IFoF combinato con PAA come parte della futura struttura 5G/6G.

La drammatica crescita del traffico dati mobile negli ultimi anni richiede un importante aggiornamento e potenziamento dell'infrastruttura di rete, soprattutto con l'emergere di nuove applicazioni e servizi come la realtà aumentata (AR), la realtà virtuale (VR), lo streaming video 4K/8K , guida autonoma, Industria 4.0 e Internet delle cose (IoT)1. La quinta generazione (5G) di reti mobili e il suo successore 6G mirano a fornire un’adeguata qualità dell’esperienza (QoE) e qualità del servizio (QoS) per tali applicazioni. Per raggiungere questo obiettivo, gli standard 5G specificano una serie di requisiti in termini di latenza, numero di dispositivi connessi, velocità dei dati, efficienza energetica, mobilità e capacità2. L’aumento della velocità dei dati è uno degli obiettivi principali dei futuri sistemi 5G/6G. Per realizzare ciò è necessario spostarsi verso bande di frequenza più elevate. Le comunicazioni wireless ottiche forniscono una grande quantità di larghezza di banda disponibile da sfruttare. Tuttavia, le comunicazioni wireless ottiche offrono bassa affidabilità, aree di copertura ridotte e bassa sensibilità, rendendole inadatte per scenari mobili all'aperto3. Al contrario, le comunicazioni wireless a onde millimetriche (onde mm) superano gli inconvenienti dell’approccio ottico, consentendo l’uso di quantità significative di spettro disponibile. Una delle sfide più importanti nelle comunicazioni wireless a onde millimetriche è la limitazione di potenza dovuta alla maggiore perdita di percorso nello spazio libero (FSPL), all'attenuazione atmosferica e alle perdite di penetrazione4.

Il beamforming è un metodo chiave per alleviare le limitazioni di potenza dovute all'elevata perdita di percorso nelle comunicazioni wireless a onde mm5 e per consentire il controllo spaziale sul segnale, riducendo al minimo le interferenze e consentendo un maggiore riutilizzo della frequenza. Sebbene il beamforming digitale sia più comunemente applicato nei sistemi a bassa larghezza di banda inferiore a 7 GHz, richiede una catena RF completa, convertitori analogico-digitale (ADC) e convertitori digitale-analogico (DAC) per ciascun elemento dell'antenna, rendendolo scala scarsamente in termini di costi, complessità e consumo energetico, in particolare per le applicazioni MIMO (Masive Multiple-Input and Multiple-Output) a onde millimetriche5, 6. Di conseguenza, le tecnologie di beamforming analogico e ibrido consentono l'implementazione di comunicazioni mobili a onde millimetriche in modo efficace e scalabile, poiché riducono il numero di ADC e DAC richiesti. In particolare, le antenne a schiera (PAA) sono una delle implementazioni analogiche di beamforming più promettenti, offrendo capacità di orientamento del raggio rapide e flessibili7, 8.