La creciente prevalencia de dispositivos de comunicación inalámbrica de alta velocidad, desde teléfonos móviles 5G hasta sensores para vehículos autónomos, está saturando las ondas de radio. Esto hace que la capacidad de bloquear señales interferentes, que pueden afectar el rendimiento de los dispositivos, sea un problema cada vez más importante y desafiante.
Con estas y otras aplicaciones emergentes en mente, investigadores del MIT han demostrado una nueva arquitectura de receptor inalámbrico MIMO (Multiple Input Multiple Output) de ondas milimétricas, que puede manejar una interferencia espacial más fuerte que los diseños anteriores. Los sistemas MIMO cuentan con múltiples antenas, lo que les permite transmitir y recibir señales desde diferentes direcciones. Su receptor inalámbrico detecta y bloquea la interferencia espacial lo antes posible, antes de que las señales no deseadas sean amplificadas, mejorando así el rendimiento.
La clave de esta arquitectura de receptor MIMO es un circuito especial que puede apuntar y cancelar señales no deseadas, conocido como un desfasador no recíproco. Al crear una estructura de desfasador novedosa que es reconfigurable, de bajo consumo y compacta, los investigadores han demostrado cómo se puede utilizar para cancelar la interferencia más temprano en la cadena del receptor.
El receptor puede bloquear hasta cuatro veces más interferencia que algunos dispositivos similares. Además, los componentes de bloqueo de interferencia pueden activarse y desactivarse según sea necesario para conservar energía.
En un teléfono móvil, un receptor como este podría ayudar a mitigar problemas de calidad de señal que pueden llevar a llamadas de Zoom lentas y entrecortadas o a la transmisión de video con problemas.
“Ya hay mucha utilización en las gamas de frecuencia que estamos intentando usar para los nuevos sistemas 5G y 6G. Así que, cualquier cosa nueva que intentemos añadir debería tener ya estos sistemas de mitigación de interferencias instalados. Aquí hemos demostrado que usar un desfasador no recíproco en esta nueva arquitectura nos da un mejor rendimiento. Esto es bastante significativo, especialmente porque estamos usando la misma plataforma integrada que todos los demás”, dice Negar Reiskarimian, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y autora principal de un artículo sobre este receptor.
Reiskarimian escribió el artículo con los estudiantes de posgrado de EECS Shahabeddin Mohin, autor principal, Soroush Araei y Mohammad Barzgari, postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE). El trabajo fue presentado recientemente en el Simposio de Circuitos de Radiofrecuencia de IEEE y recibió el Premio al Mejor Artículo Estudiantil.
Los sistemas MIMO digitales tienen una parte analógica y una digital. La parte analógica utiliza antenas para recibir señales, que son amplificadas, convertidas a una frecuencia inferior y pasadas a través de un convertidor analógico a digital antes de ser procesadas en el dominio digital del dispositivo. En este caso, se requiere la formación de haz digital para recuperar la señal deseada. Pero si una señal interferente fuerte proveniente de una dirección diferente llega al receptor al mismo tiempo que la señal deseada, puede saturar el amplificador y ahogar la señal deseada.
«El punto de salida del amplificador de bajo ruido inicial es el primer lugar donde se puede realizar este filtrado con una penalización mínima, por lo que eso es exactamente lo que estamos haciendo con nuestro enfoque», dice Reiskarimian.
Los investigadores construyeron e instalaron cuatro desfasadores no recíprocos inmediatamente en la salida del primer amplificador en cada cadena de receptor, todos conectados al mismo nodo. Estos desfasadores pueden pasar señales en ambas direcciones y detectar el ángulo de una señal interferente entrante. Los dispositivos pueden ajustar su fase hasta cancelar la interferencia.
La fase de estos dispositivos puede ajustarse con precisión, por lo que pueden detectar y cancelar una señal no deseada antes de que pase al resto del receptor, bloqueando la interferencia antes de que afecte a otras partes del receptor. Además, los desfasadores pueden seguir las señales para continuar bloqueando la interferencia si esta cambia de ubicación.
«Si empiezas a desconectarte o la calidad de tu señal baja, puedes activar esto y mitigar esa interferencia sobre la marcha. Debido a que nuestro enfoque es paralelo, puedes activarlo y desactivarlo con un efecto mínimo en el rendimiento del receptor», añade Reiskarimian.
Además de hacer su arquitectura de desfasador novedosa y sintonizable, los investigadores la diseñaron para que ocupe menos espacio en el chip y consuma menos energía que los desfasadores no recíprocos típicos.
Una vez que los investigadores realizaron el análisis para mostrar que su idea funcionaría, su mayor desafío fue traducir la teoría en un circuito que lograra sus objetivos de rendimiento. Al mismo tiempo, el receptor tenía que cumplir con estrictas restricciones de tamaño y un presupuesto de energía ajustado, o no sería útil en dispositivos del mundo real.
Al final, el equipo demostró una arquitectura MIMO compacta en un chip de 3.2 milímetros cuadrados que podía bloquear señales hasta cuatro veces más fuertes que las que otros dispositivos podían manejar. Más simple que los diseños típicos, su arquitectura de desfasador también es más eficiente energéticamente.
En el futuro, los investigadores quieren escalar su dispositivo a sistemas más grandes, así como habilitar su funcionamiento en los nuevos rangos de frecuencia utilizados por los dispositivos inalámbricos 6G. Estos rangos de frecuencia son propensos a interferencias potentes de satélites. Además, les gustaría adaptar los desfasadores no recíprocos a otras aplicaciones.
