5G 휴대폰부터 자율주행 차량 센서까지 고속 무선 통신 장치의 확산이 증가하면서 전파 혼잡도가 증가하고 있습니다. 이로 인해 장치 성능을 저해할 수 있는 간섭 신호를 차단하는 기능이 더욱 중요하고 어려운 문제가 되었습니다.

이러한 애플리케이션과 기타 새로운 애플리케이션을 염두에 두고 MIT 연구원들은 이전 설계보다 더 강력한 공간 간섭을 처리할 수 있는 새로운 밀리미터파 MIMO(다중 입력 다중 출력) 무선 수신기 아키텍처를 시연했습니다. MIMO 시스템에는 여러 개의 안테나가 있어 서로 다른 방향에서 신호를 보내고 받을 수 있습니다. 무선 수신기는 원치 않는 신호가 증폭되기 전에 공간 간섭을 감지하고 가장 빠른 기회에 차단하여 성능을 향상시킵니다.

이 MIMO 수신기 아키텍처의 핵심은 비가역 위상 버스로 알려진 원치 않는 신호를 타겟팅하고 제거할 수 있는 특수 회로입니다. 새로운 재구성 가능한 저전력 소형 위상 천이기 구조를 생성함으로써 연구원들은 향후 시리즈에서 간섭을 조기에 제거하는 데 사용할 수 있는 방법을 보여줍니다.

해당 수신기는 일부 유사한 장치보다 최대 4배 더 많은 간섭을 차단할 수 있습니다. 또한 간섭 억제 구성 요소는 필요에 따라 켜고 끌 수 있어 전력을 절약할 수 있습니다.

모바일에서 이 수신기는 느리고 고르지 못한 Zoom 통화 또는 비디오 스트리밍으로 이어질 수 있는 신호 품질 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“우리가 새로운 5G 및 6G 시스템에 사용하려는 주파수 대역에서는 이미 많은 사용이 일어나고 있습니다. 따라서 우리가 추가하려는 새로운 항목은 이미 이러한 간섭 완화 시스템에 설치되어 있어야 합니다. 우리는 그것을 보여주었습니다.”라고 X의 경력 개발 조교수인 Nigar Riskarimian은 말합니다. -Window 컨소시엄 학과: “이 새로운 아키텍처에서 비가역 위상 시프터를 사용하면 더 나은 성능을 얻을 수 있습니다. 이는 특히 매우 중요합니다. 우리는 전기 공학 및 컴퓨터 과학(EECS) 박사 학위를 취득한 다른 모든 사람들과 동일한 통합 플랫폼을 사용하고 있기 때문에 RLE(Microsystems Technology and Research Laboratory of Electronics) 연구소의 회원이자 이 책의 주요 저자입니다. 이 수신기에 있는 종이.

Riskarimian은 수석 저자인 EECS 대학원생 Shihabeddin Mohin, Soroush Arayee 및 RLE의 박사후 연구원인 Mohammad Barazghari와 함께 논문을 작성했습니다. 이 연구는 최근 IEEE RF 회로 심포지엄에서 발표되었으며 최우수 학생 논문상을 받았습니다.

간섭 방지

디지털 MIMO 시스템에는 아날로그 부분과 디지털 부분이 있습니다. 아날로그 부분은 안테나를 사용하여 신호를 증폭하고 하향 변환하고 아날로그-디지털 변환기를 통과한 후 장치의 디지털 영역에서 처리됩니다. 이 경우 원하는 신호를 복구하기 위해서는 디지털 빔포밍이 필요하다.

그러나 다른 방향에서 오는 강력하고 간섭하는 신호가 원하는 신호와 동시에 수신기에 도달하면 증폭기가 포화되어 원하는 신호가 빠져나갈 수 있습니다. 디지털 MIMO 장치는 원치 않는 신호를 필터링할 수 있지만 이 필터링은 나중에 수신기 체인에서 발생합니다. 원하는 신호에 대한 간섭이 증폭되면 나중에 필터링하기가 어렵습니다.

“저잡음 프리앰프 출력은 최소한의 페널티로 필터링을 수행할 수 있는 첫 번째 장소입니다. 따라서 이것이 바로 우리의 접근 방식에서 수행되는 작업입니다.”라고 Riskaremian은 말합니다.

연구원들은 동일한 노드에 연결된 각 수신기 체인의 첫 번째 증폭기 출력에 직접 4개의 비왕복 위상 시프터를 구축하고 설치했습니다. 이러한 위상 시프터는 신호를 양방향으로 전달하고 들어오는 간섭 신호의 각도를 감지할 수 있습니다. 장치는 위상을 조정하여 간섭을 상쇄할 수 있습니다.

이러한 장치의 위상은 정밀하게 조정될 수 있으므로 원하지 않는 신호를 감지하고 해당 신호가 수신기의 나머지 부분에 전달되기 전에 취소하여 수신기의 다른 부분에 영향을 미치기 전에 간섭을 방지할 수 있습니다. 또한 위상 시프터는 신호를 추적하여 위치가 변경되는 경우 간섭을 계속 방지할 수 있습니다.

“연결이 끊어지기 시작하거나 신호 품질이 떨어지면 이 기능을 켜고 신속하게 간섭을 완화할 수 있습니다. 그리고 우리의 접근 방식은 병렬이기 때문에 수신기 자체의 성능에 미치는 영향을 최소화하면서 켜고 끌 수 있습니다.” Riskarimian은 덧붙입니다.

내장 장치

새로운 위상 천이기 아키텍처를 조정 가능하게 만드는 것 외에도 연구원들은 칩의 공간을 덜 사용하고 일반적인 비변환 위상 천이기보다 전력을 덜 소비하도록 설계했습니다.

연구원들이 자신의 아이디어가 효과가 있음을 보여주기 위해 분석을 수행한 후 가장 큰 과제는 이론을 성능 목표를 충족하는 회로로 변환하는 것이었습니다. 동시에 수신기는 엄격한 크기 제약과 제한된 전력 예산을 충족해야 했습니다. 그렇지 않으면 실제 장치에서는 유용하지 않을 것입니다.

궁극적으로 팀은 다른 장치가 처리할 수 있는 것보다 최대 4배 더 강한 신호를 차단할 수 있는 3.2제곱밀리미터 칩에 내장된 MIMO 아키텍처를 시연했습니다. 일반적인 설계보다 단순하고 위상 변이 구조가 에너지 효율적입니다.

앞으로 연구원들은 장치를 더 큰 시스템으로 확장하고 6G 무선 장치에서 사용되는 새로운 주파수 대역에서 성능을 발휘할 수 있기를 원합니다. 이러한 주파수 대역은 위성의 강한 간섭에 취약합니다. 또한 그들은 비왕복형 위상 시프터를 다른 응용 분야에 적용하려고 합니다.

이 연구는 MIT 집적회로 및 시스템 센터의 일부 지원을 받았습니다.