Foi recentemente desenvolvido por investigadores do Tokyo Tech e da NEC Corporation, um novo phased-array beamformer para a banda de ondas milimétricas (mmWave), do 5G. O seu desenho inovador aplica duas técnicas bem conhecidas - o amplificador Doherty e a pré-distorção digital - a um transcetor phased-array para mmWave e supera as questões dos desenhos convencionais, produzindo excecionais eficiências energéticas e de área e superando outros transcetores 5G de última geração.
As redes 5G estão a tornar-se mais prevalentes por todo o mundo. Muitos dispositivos de consumo que suportam o 5G já estão a beneficiar do aumento das velocidades e da menor latência. No entanto, algumas bandas de frequência atribuídas ao 5G não são efetivamente utilizadas devido a limitações tecnológicas. Estas bandas de frequência incluem a banda New Radio (NR) de 39 GHz, mas que na realidade abrange de 37 GHz a 43,5 GHz, dependendo do país. A banda NR oferece vantagens notáveis de desempenho relativamente a outras bandas de frequências mais baixas que as redes 5G utilizam atualmente. Por exemplo, permite uma latência ultrabaixa na comunicação, juntamente com taxas de dados superiores a 10 Gb/s e uma capacidade massiva para acomodar vários utilizadores.
Contudo, estes feitos têm um custo. Os sinais de alta frequência são atenuados rapidamente à medida que viajam pelo espaço. É portanto crucial que a potência transmitida seja concentrada num feixe estreito dirigido diretamente ao recetor. Isto pode, em princípio, ser alcançado utilizando phased-array beamformers, dispositivos de transmissão compostos por uma matriz de antenas cuidadosamente controladas por fase. No entanto, trabalhar nas regiões de altas frequências da banda NR, diminui a eficiência dos amplificadores de potência, uma vez que tendem a sofrer de problemas de não-linearidade, que distorcem o sinal transmitido.
Para resolver estas questões, uma equipa de investigadores liderada pelo Professor Kenichi Okada do Instituto Tecnológico de Tóquio (Tokyo Tech) do Japão, desenvolveu recentemente, num novo estudo, um novo phased-array beamformer para estações base 5G. O seu desenho adapta duas técnicas bem conhecidas, nomeadamente o amplificador Doherty e a pré-distorção digital (DPD), a um transcetor phased-array para mmWave, mas com algumas alterações. Os investigadores apresentaram as suas descobertas no Simpósio IEEE 2022 sobre Tecnologia e Circuitos VLSI.
O amplificador Doherty, desenvolvido em 1936, tem vindo a ressurgir nos modernos dispositivos de telecomunicações, devido à sua boa eficiência energética e adequação aos sinais com uma elevada relação entre o valor de pico e o valor médio (como os sinais 5G). A equipa do Tokyo Tech modificou o desenho do amplificador convencional Doherty e produziu um amplificador bidirecional. Isto significa que o mesmo circuito tanto pode amplificar um sinal a ser transmitido como um sinal recebido com baixo ruído. Isto cumpre o papel crucial da amplificação, tanto para a transmissão como para a receção. "A nossa proposta de implementação bidirecional para o amplificador é muito eficiente em termos de área. Além disso, graças ao seu co-desenho com uma tecnologia de encapsulamento à escala dos chips do nível de wafer, permite uma baixa perda de inserção. Isto significa que se perde menos potência à medida que o sinal atravessa o amplificador", explica o Professor Okada.
Apesar das suas várias vantagens, o amplificador Doherty pode exacerbar problemas de não linearidade que surgem de desajustes nos elementos da antena phased-array. A equipa abordou este problema de duas maneiras. Primeiro, utilizaram a técnica DPD, que envolve distorcer o sinal antes da transmissão para cancelar eficazmente a distorção introduzida pelo amplificador. A sua implementação, ao contrário das abordagens convencionais de DPD, utilizou uma tabela partilhada de look-up (LUT) para todas as antenas, minimizando a complexidade do circuito. Em segundo lugar, introduziram no phased-array capacidades de compensação de desajustes entre elementos, melhorando a sua linearidade global. "Comparámos o dispositivo proposto com outros transcetores phased-array 5G de última geração e descobrimos que, ao compensar os desajustes entre elementos no módulo DPD com LUT partilhada, o nosso demonstrou ter um menor erro de perda e transmissão entre canais adjacentes", observa o Professor Okada. "Esperamos que o dispositivo e as técnicas descritas neste estudo nos permitam a todos colher os benefícios do 5G NR mais cedo!"
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