10 年前、スマートフォンは通常、4 つの GSM 周波数帯域で動作するいくつかの規格だけをサポートしており、おそらくいくつかの WCDMA または CDMA2000 規格もサポートしていました。選択できる周波数帯域が非常に少ないため、850/900/1800/1900 MHz 帯域を使用し、世界中のどこでも使用できる「クアッドバンド」GSM 電話機によって、ある程度の世界的な均一性が達成されています。かなり）。
これは旅行者にとっては大きなメリットであり、世界市場全体に少数のモデル (場合によっては 1 つだけ) をリリースするだけで済むデバイス メーカーにとっては大きな規模のメリットが生まれます。今日に至るまで、GSM は依然としてグローバル ローミングを提供する唯一のワイヤレス アクセス テクノロジです。ちなみに、ご存知なかった方のために、GSM は段階的に廃止されつつあります。
その名にふさわしいスマートフォンは、帯域幅、送信電力、受信感度、その他多くのパラメータに関してさまざまな RF インターフェイス要件を備えた 4G、3G、2G アクセスをサポートする必要があります。
さらに、世界中で利用可能なスペクトルが断片化しているため、4G 標準は多数の周波数帯域をカバーしているため、通信事業者は任意のエリアで利用可能な任意の周波数でそれらを使用できます (LTE1 標準の場合と同様に、現在合計 50 帯域)。真の「世界電話」は、これらすべての環境で動作する必要があります。
携帯無線機が解決しなければならない重要な問題は「二重通信」です。私たちが話すとき、私たちは同時に聞きます。初期の無線システムではプッシュ トゥ トークが使用されていました (現在でも使用されているものもあります) が、電話で話すとき、私たちは相手が話を中断することを期待しています。第 1 世代 (アナログ) セルラー デバイスは、異なる周波数でアップリンクを送信することによって「スタン」されることなくダウンリンクを受信するために、「デュプレックス フィルター」 (またはデュプレクサー) を使用していました。
これらのフィルターをより小さく、より安価にすることは、初期の電話メーカーにとって大きな課題でした。 GSM が導入されたとき、プロトコルはトランシーバーが「半二重モード」で動作できるように設計されました。
これはデュプレクサを排除する非常に賢い方法であり、GSM が業界を支配できる (そしてその過程で人々のコミュニケーション方法を変える) ことのできる低コストの主流技術になるのに貢献した主な要因でした。
Android オペレーティング システムの発明者である Andy Rubin の Essential 携帯電話は、Bluetooth 5.0LE、さまざまな GSM/LTE、チタン フレームに隠された Wi-Fi アンテナなどの最新の接続機能を備えています。
残念なことに、技術的問題の解決から得られた教訓は、3G 初期の技術政治戦争ですぐに忘れ去られ、現在主流の周波数分割デュプレクシング (FDD) 形式では、動作する FDD 帯域ごとにデュプレクサが必要です。 LTE ブームにはコスト要因の上昇が伴うことは疑いの余地がありません。
一部の帯域では時分割二重 (TDD) (無線が送信と受信を素早く切り替える) を使用できますが、存在する帯域はほとんどありません。ほとんどの通信事業者 (主にアジアの通信事業者を除く) は FDD シリーズを好み、その数は 30 以上です。
TDD および FDD スペクトルの遺産、真にグローバルな帯域を解放することの難しさ、より多くの帯域を備えた 5G の出現により、デュプレックスの問題はさらに複雑になっています。研究中の有望な方法には、新しいフィルターベースの設計や自己干渉を排除する機能などが含まれます。
後者は、「フラグメントレス」二重 (または「帯域内全二重」) のある程度有望な可能性ももたらします。将来の 5G モバイル通信では、FDD や TDD だけでなく、これらの新しい技術をベースにした柔軟な二重化も考慮する必要があるかもしれません。
デンマークのオールボー大学の研究者は、送信と受信に別々のアンテナを使用し (18 ページの図を参照)、これらのアンテナを (低パフォーマンス) カスタマイズ可能なアンテナと組み合わせた「スマート アンテナ フロント エンド」(SAFE)2-3 アーキテクチャを開発しました。必要な送信と受信の分離を達成するためのフィルタリング。
パフォーマンスは優れていますが、2 つのアンテナが必要であることが大きな欠点です。電話機がより薄く滑らかになるにつれて、アンテナに利用できるスペースはますます小さくなってきています。
モバイル デバイスには、空間多重化 (MIMO) 用の複数のアンテナも必要です。 SAFE アーキテクチャと 2×2 MIMO サポートを備えた携帯電話には、アンテナが 4 本しか必要ありません。さらに、これらのフィルターとアンテナの同調範囲は制限されています。
したがって、世界中の携帯電話も、すべての LTE 周波数帯域 (450 MHz ～ 3600 MHz) をカバーするためにこのインターフェイス アーキテクチャを複製する必要があり、そのためにはより多くのアンテナ、より多くのアンテナ チューナー、およびより多くのフィルターが必要になります。コンポーネントの重複によるマルチバンド動作。
タブレットやラップトップにはさらに多くのアンテナを取り付けることができますが、このテクノロジーをスマートフォンに適したものにするためには、カスタマイズや小型化をさらに進める必要があります。
電気的に平衡した二重方式は、有線電話の初期の頃から使用されてきました17。電話システムでは、マイクとイヤホンを電話回線に接続する必要がありますが、ユーザー自身の声が弱い受信音声信号の耳をつんざくことがないように、互いに分離されている必要があります。これは、電子電話が登場する前はハイブリッド変圧器を使用して実現されていました。
以下の図に示すデュプレックス回路では、同じ値の抵抗を使用して伝送線路のインピーダンスを整合させ、マイクからの電流がトランスに入るときに分割され、一次コイルを逆方向に流れるようにします。磁束が効果的に相殺され、二次コイルに電流が誘導されないため、二次コイルはマイクから絶縁されます。
ただし、マイクからの信号は (多少の損失はありますが) 電話回線に送られ、電話回線の受信信号は (これも多少の損失はありますが) スピーカーに送られるため、同じ電話回線で双方向通信が可能です。 。 。金属ワイヤー。
無線平衡デュプレクサは電話デュプレクサに似ていますが、図 B に示すように、マイク、受話器、電話線の代わりに、それぞれ送信機、受信機、アンテナが使用されます。
送信機を受信機から分離する 3 番目の方法は、自己干渉 (SI) を排除し、受信信号から送信信号を減算することです。妨害技術は何十年にもわたってレーダーや放送で使用されてきました。
たとえば、1980 年代初頭、Plessy は、半二重アナログ FM 軍事通信ネットワークの範囲を拡張するために、「Groundsat」と呼ばれる SI 補償ベースの製品を開発、販売しました4-5。
このシステムは全二重の単一チャネル リピータとして機能し、作業エリア全体で使用される半二重無線の有効範囲を拡張します。
最近、主に短距離通信 (セルラーおよび Wi-Fi) への傾向により、自己干渉の抑制に関心が集まっています。これにより、民生用の送信電力が低くなり、受信電力が高くなるため、SI 抑制の問題はより管理しやすくなります。 。無線アクセスとバックホール アプリケーション 6-8.
Apple の iPhone (クアルコムの支援による) はおそらく世界最高のワイヤレス機能と LTE 機能を備えており、単一チップで 16 の LTE バンドをサポートしています。これは、GSM 市場と CDMA 市場をカバーするには 2 つの SKU のみを製造する必要があることを意味します。
干渉共有のない二重アプリケーションでは、自己干渉抑制により、アップリンクとダウンリンクが同じスペクトル リソースを共有できるようになり、スペクトル効率が向上します9、10。自己干渉抑制技術を使用して、FDD 用のカスタム デュプレクサを作成することもできます。
キャンセル自体は通常、いくつかの段階で構成されます。アンテナとトランシーバー間の指向性ネットワークは、送信信号と受信信号の間に最初のレベルの分離を提供します。次に、追加のアナログおよびデジタル信号処理を使用して、受信信号に残っている固有ノイズを除去します。最初のステージでは、別個のアンテナ (SAFE と同様)、ハイブリッド変圧器 (後述) を使用できます。
アンテナが外れた場合の問題についてはすでに説明しました。サーキュレータは結晶内で強磁性共鳴を使用するため、通常は狭帯域です。このハイブリッド技術、つまり電気平衡絶縁 (EBI) は、広帯域でチップ上に統合できる可能性がある有望な技術です。
次の図に示すように、スマート アンテナのフロント エンド設計では、送信用と受信用の 2 つの狭帯域調整可能アンテナと、性能は低いが調整可能なデュプレックス フィルターのペアを使用します。個々のアンテナは、アンテナ間の伝播損失を犠牲にしてある程度の受動的な絶縁を提供するだけでなく、瞬間的な帯域幅も限られています（しかし調整可能）。
送信アンテナは送信周波数帯域でのみ有効に動作し、受信アンテナは受信周波数帯域でのみ有効に動作します。この場合、アンテナ自体もフィルターとして機能します。帯域外 Tx 放射は送信アンテナによって減衰され、Tx 帯域内の自己干渉は受信アンテナによって減衰されます。
したがって、このアーキテクチャではアンテナが調整可能である必要があり、これはアンテナ調整ネットワークを使用することで実現されます。アンテナ同調ネットワークには、ある程度の避けられない挿入損失が存在します。ただし、MEMS18 調整可能コンデンサの最近の進歩により、これらのデバイスの品質が大幅に向上し、損失が減少しました。 Rx 挿入損失は約 3 dB で、これは SAW デュプレクサとスイッチの合計損失に匹敵します。
次に、アンテナベースの絶縁は、これも MEM3 調整可能コンデンサに基づく調整可能フィルタによって補完され、アンテナから 25 dB の分離、フィルタから 25 dB の分離を実現します。プロトタイプは、これが達成できることを実証しました。
学界や産業界のいくつかの研究グループは、両面印刷のためのハイブリッドの使用を検討しています11-16。これらの方式は、単一のアンテナからの同時送信と受信を可能にし、送信機と受信機を分離することにより、SI を受動的に排除します。これらは本質的にブロードバンドであり、オンチップで実装できるため、モバイル デバイスの周波数二重化にとって魅力的なオプションになります。
最近の進歩により、EBI を使用した FDD トランシーバーは、携帯電話アプリケーションに適した挿入損失、雑音指数、受信機の線形性、およびブロッキング抑制特性を備えた CMOS (相補型金属酸化膜半導体) から製造できることが示されています 11、12、13。ただし、学術文献や科学文献の多くの例が示しているように、二重鎖の分離には根本的な制限があります。
無線アンテナのインピーダンスは固定されておらず、動作周波数 (アンテナの共振により) および時間 (変化する環境との相互作用により) によって変化します。これは、平衡インピーダンスがインピーダンスの変化に追従するように適応する必要があり、周波数領域の変化によりデカップリング帯域幅が制限されることを意味します13 (図 1 を参照)。
ブリストル大学での私たちの研究は、これらのパフォーマンス制限を調査して対処し、必要な送信/受信の分離とスループットが実際のユースケースで達成できることを実証することに重点を置いています。
アンテナ インピーダンスの変動 (絶縁に重大な影響を与える) を克服するために、当社の適応アルゴリズムはアンテナ インピーダンスをリアルタイムで追跡し、ユーザーの手によるインタラクションや高速道路や鉄道などのさまざまな動的環境でもパフォーマンスを維持できることがテストで示されています。旅行。
さらに、周波数領域で制限されたアンテナ整合を克服し、それによって帯域幅と全体的な分離を向上させるために、電気的に平衡したデュプレクサと追加のアクティブ SI 抑制を組み合わせ、2 番目の送信機を使用して抑制信号を生成し、自己干渉をさらに抑制します。 (図 2 を参照)。
私たちのテストベッドから得られた結果は有望です。図 3 に示すように、アクティブ テクノロジーを EBD と組み合わせると、送信および受信の分離が大幅に改善されます。
私たちの最終的な実験室セットアップでは、低コストのモバイル デバイス コンポーネント (携帯電話のパワー アンプとアンテナ) を使用しており、携帯電話の実装を代表するものになっています。さらに、私たちの測定では、このタイプの 2 段階の自己干渉除去により、低コストの商用グレードの機器を使用している場合でも、アップリンクおよびダウンリンクの周波数帯域で必要なデュプレックス分離を提供できることが示されています。
携帯電話デバイスが最大範囲で受信する信号強度は、送信する信号強度よりも 12 桁低くなければなりません。時分割二重 (TDD) では、二重回路はアンテナを送信機または受信機に接続する単なるスイッチであるため、TDD のデュプレクサも単純なスイッチです。 FDD では、送信機と受信機が同時に動作し、デュプレクサはフィルターを使用して受信機を送信機の強い信号から分離します。
セルラー FDD フロントエンドのデュプレクサは、アップリンク帯域で >~50 dB の分離を提供して Tx 信号による受信機の過負荷を防ぎ、ダウンリンク帯域で >~50 dB の分離を提供して帯域外送信を防ぎます。受信機の感度が低下しました。 Rx 帯域では、送信パスと受信パスの損失は最小限です。
周波数が数パーセントしか離れていないこれらの低損失、高絶縁の要件には、高 Q フィルタリングが必要ですが、これまでのところ、表面弾性波 (SAW) または実体弾性波 (BAW) デバイスを使用することによってのみ達成できます。
テクノロジーは進化を続けていますが、その進歩の主な理由は多数のデバイスが必要になるためです。図 A に示すように、マルチバンド動作では、帯域ごとに個別のオフチップ デュプレックス フィルターが必要になります。また、すべてのスイッチとルーターには、次の機能が追加されています。パフォーマンス上のペナルティとトレードオフ。
現在の技術に基づいた手頃な価格の世界規模の携帯電話を製造するのは非常に困難です。結果として得られる無線アーキテクチャは、非常に大規模で、損失が多く、高価なものになります。メーカーは、さまざまな地域で必要な帯域のさまざまな組み合わせに対応する複数の製品バリエーションを作成する必要があるため、無制限のグローバル LTE ローミングが困難になります。 GSM の優位性をもたらした規模の経済を達成することはますます困難になりつつあります。
高速データ速度のモバイル サービスに対する需要の高まりにより、50 の周波数帯域にわたる 4G モバイル ネットワークの展開が行われており、5G が完全に定義され広く展開されるにつれて、さらに多くの帯域が登場する予定です。 RF インターフェイスは複雑であるため、現在のフィルターベースの技術を使用して単一のデバイスでこれらすべてをカバーすることは不可能であるため、カスタマイズ可能で再構成可能な RF 回路が必要です。
理想的には、デュプレックス問題を解決するための新しいアプローチが必要です。これは、おそらく調整可能なフィルターや自己干渉抑制、あるいはその両方の組み合わせに基づくものです。
コスト、サイズ、パフォーマンス、効率などの多くの要求を満たす単一のアプローチはまだありませんが、おそらく数年以内にパズルのピースが集まり、あなたのポケットに収まるでしょう。
SI 抑制を備えた EBD などのテクノロジーにより、同じ周波数を両方向で同時に使用できる可能性が広がり、スペクトル効率が大幅に向上します。
投稿日時: 2024 年 9 月 24 日