5G 技術(shù)新突破：毫米波設(shè)備成本大幅降低，天線還能直接“打印”

近日，佐治亞理工學(xué)院、諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室和赫瑞瓦特大學(xué)的研究人員已經(jīng)找到了一種實(shí)現(xiàn)低成本反向散射無(wú)線電（backscatter radios）傳輸?shù)姆椒ǎ摲椒軌蜃屧O(shè)備實(shí)現(xiàn)“GB 每秒”的 5G 傳輸速度。

反向散射技術(shù)是指設(shè)備自身不產(chǎn)生信號(hào)，但是通過(guò)反射傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，從而達(dá)到信息交換的目的。反向散射能夠?qū)崿F(xiàn) 5G 毫米波通信，但是毫米波的 5G 設(shè)備成本較高，其一般需要配置多個(gè)堆疊晶體管（multiple stacked transistors）。

研究人員通過(guò)單晶體管高階調(diào)制（Single-transistor high-order modulation）技術(shù)，減少了設(shè)備所需的晶體管數(shù)量。經(jīng)過(guò)測(cè)試，這些無(wú)源設(shè)備（passive devices）幾乎可以在任何環(huán)境中，安全、穩(wěn)健地傳輸數(shù)據(jù)。

該研究論文題目為《用于千兆數(shù)據(jù)速率反向散射通信的印刷毫米波調(diào)制器和天線陣列（A printed millimetre-wave modulator and antenna array for backscatter communications at gigabit data rates）》，該研究成果已于六月初在 Nature Electronics 雜志上發(fā)表。

一、大幅減少晶體管的使用

一般情況下，解決復(fù)雜通信問(wèn)題可以通過(guò)增加堆疊晶體管來(lái)達(dá)成，但是這會(huì)拉高設(shè)備成本。佐治亞理工學(xué)院博士 Ioannis (John) Kimionis 說(shuō)：“我們的技術(shù)突破使得設(shè)備能夠在沒(méi)有完整的毫米波無(wú)線電發(fā)射器的情況下，通過(guò)毫米波 (mmWave) 頻率進(jìn)行 5G 通信。即使在低頻率的電子產(chǎn)品中，只需要容納一個(gè)毫米波晶體管（single mmWave transistor）就能使用，例如手機(jī)或 WiFi 中的那些設(shè)備。”

通過(guò)對(duì)單晶體管高階調(diào)制，研究人員就無(wú)需在反向散射通信器或毫米波收發(fā)器中添加額外的混合級(jí)（mixing stages），能夠?qū)⑶岸耍╢ront-end）復(fù)雜性壓縮到單個(gè)高頻晶體管內(nèi)，這使得設(shè)備所需的晶體管減少。佐治亞理工學(xué)院博士 Ioannis (John) Kimionis 表示，“我們的產(chǎn)品可針對(duì)任何類(lèi)型的數(shù)字調(diào)制（digital modulation）進(jìn)行擴(kuò)展，并可應(yīng)用于任何固定或移動(dòng)設(shè)備。

▲ Ioannis (John) Kimionis

二、反向散射技術(shù)的突破拓展了 5G 使用場(chǎng)景的可能性

該技術(shù)能夠拓展了物聯(lián)網(wǎng) 5G 的應(yīng)用，例如能源收集（energy harvesting），喬治亞理工學(xué)院的研究人員最近展示了使用專(zhuān)門(mén)的羅特曼透鏡（Rotman lens）從各個(gè)方向收集 5G 電磁能量的案例。這證實(shí)了該技術(shù)具備了為其他傳感器輸電的能力。

佐治亞理工學(xué)院的電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授 Emmanouil (Manos) Tentzeris 表示，反向散射技術(shù)有廣泛的運(yùn)用前景。包括利用零功率可穿戴/可植入傳感器設(shè)備進(jìn)行高速個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（high-speed personal area networks）的建設(shè)，該網(wǎng)絡(luò)可以用于監(jiān)測(cè)血液中的含氧量，檢測(cè)葡萄糖水平，監(jiān)測(cè)心臟或腦電圖的功能。

反向散射技術(shù)也可用于能夠監(jiān)控溫度、化學(xué)成分、氣體和濕度的智能家居傳感器之中。在智能農(nóng)業(yè)方面，反向散射技術(shù)亦能發(fā)揮作用，如檢測(cè)作物霜凍，分析土壤養(yǎng)分，甚至跟蹤牲畜。

三、增材制造使得該技術(shù)在市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力

Kimionis 說(shuō)：“整個(gè)前端的解決方案（the whole front end of our solution）并不復(fù)雜，它能夠被電子印刷技術(shù)所兼容。于是，我們可以打印出一個(gè)毫米波天線陣列（mmWave antenna array），并使其能夠在低功率、低復(fù)雜度和低成本的發(fā)射機(jī)（transmitter）上使用。”

Tentzeris 認(rèn)為降低印刷制造成本，使他們的反向散射技術(shù)在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。

結(jié)語(yǔ)：反向散射技術(shù)為 5G 物聯(lián)網(wǎng)鋪路

佐治亞理工學(xué)院、諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室和赫瑞瓦特大學(xué)的研究人員創(chuàng)造的反向散射技術(shù)能夠通過(guò)對(duì)單晶體管進(jìn)行高階調(diào)制，使設(shè)備減少對(duì)晶體管的需求來(lái)降低成本。并且能夠提升毫米波在 5G 通訊下的效果，減少信號(hào)衰弱。

該反向散射技術(shù)的突破使得設(shè)備能夠成本在更低的情況下，為 5G 物聯(lián)網(wǎng)提供更具可擴(kuò)展性和穩(wěn)健性的通信系統(tǒng)。