Forscher des MIT und anderer Einrichtungen haben einen neuartigen Senderchip entwickelt, der die Energieeffizienz der drahtlosen Kommunikation erheblich verbessert und damit die Reichweite und Akkulaufzeit vernetzter Geräte steigern könnte. Ihr Ansatz nutzt ein einzigartiges Modulationsschema, um digitale Daten in ein drahtloses Signal zu kodieren, wodurch die Fehlerquote bei der Übertragung reduziert wird und eine zuverlässigere Kommunikation ermöglicht wird. Das kompakte, flexible System könnte in bestehende Internet-of-Things-Geräte integriert werden, um sofortige Vorteile zu erzielen und gleichzeitig die strengeren Effizienzanforderungen zukünftiger 6G-Technologien zu erfüllen.
Die Vielseitigkeit des Chips könnte ihn für eine Reihe von Anwendungen geeignet machen, die ein sorgfältiges Energiemanagement für die Kommunikation erfordern, wie beispielsweise industrielle Sensoren, die kontinuierlich die Bedingungen in Fabriken überwachen, und intelligente Geräte, die Echtzeitbenachrichtigungen bereitstellen.
„Durch unkonventionelles Denken haben wir einen effizienteren, intelligenteren Schaltkreis für Geräte der nächsten Generation entwickelt, der sogar noch besser ist als der Stand der Technik für ältere Architekturen. Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie ein modularer Ansatz, der Anpassungsfähigkeit ermöglicht, Innovationen auf allen Ebenen vorantreiben kann“, sagt Muriel Médard, NEC-Professorin für Softwarewissenschaft und -technik an der School of Science, Professorin am MIT-Fachbereich für Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Mitautorin einer Veröffentlichung über den neuen Sender.
Verbesserung der Übertragung
In drahtlosen Geräten wandelt ein Sender digitale Daten in ein elektromagnetisches Signal um, das über Funkwellen an einen Empfänger gesendet wird. Der Sender tut dies, indem er digitale Bits auf Symbole abbildet, die die Amplitude und Phase des elektromagnetischen Signals darstellen. Dieser Vorgang wird als Modulation bezeichnet. Herkömmliche Systeme übertragen Signale, die gleichmäßig verteilt sind, indem sie ein einheitliches Symbolmuster erstellen, wodurch Interferenzen vermieden werden. Diese einheitliche Struktur ist jedoch wenig anpassungsfähig und kann ineffizient sein, da die Bedingungen in drahtlosen Kanälen dynamisch sind und sich oft schnell ändern.
Als Alternative folgen optimale Modulationsschemata einem ungleichmäßigen Muster, das sich an wechselnde Kanalbedingungen anpassen kann, wodurch die übertragene Datenmenge maximiert und gleichzeitig der Energieverbrauch minimiert wird. Optimale Modulation kann zwar energieeffizienter sein, ist aber auch anfälliger für Fehler, insbesondere in überfüllten Funkumgebungen. Wenn die Signale nicht gleichmäßig lang sind, kann es für den Empfänger schwieriger sein, zwischen Symbolen und Störgeräuschen zu unterscheiden, die sich in die Übertragung eingeschlichen haben.
Um dieses Problem zu lösen, fügt der MIT-Sender eine kleine Menge an Füllzeichen in Form von zusätzlichen Bits zwischen den Symbolen hinzu, sodass jede Übertragung die gleiche Länge hat. Dies hilft dem Empfänger, den Anfang und das Ende jeder Übertragung zu identifizieren, wodurch eine Fehlinterpretation der Nachricht verhindert wird. Das Gerät profitiert jedoch von den Energieeffizienzvorteilen eines nicht einheitlichen, optimalen Modulationsschemas.
GRAND-Decodierung
Dieser Ansatz funktioniert dank einer zuvor von den Forschern entwickelten Technik namens GRAND, einem universellen Decodierungsalgorithmus, der jeden Code knackt, indem er das Rauschen errät, das die Übertragung beeinträchtigt hat. Hier verwenden sie einen von GRAND inspirierten Algorithmus, um die Länge der empfangenen Übertragung anzupassen, indem sie die hinzugefügten zusätzlichen Bits erraten. Auf diese Weise kann der Empfänger die ursprüngliche Nachricht effektiv rekonstruieren.
„Dank GRAND können wir nun einen Sender haben, der in der Lage ist, diese effizienteren Übertragungen mit ungleichmäßigen Datenkonstellationen durchzuführen, und wir können die Vorteile sehen“, sagt Médard.
Eine flexible Schaltung
Der neue Chip, der über eine kompakte Architektur verfügt, die es den Forschern ermöglicht, zusätzliche effizienzsteigernde Methoden zu integrieren, ermöglichte Übertragungen mit nur etwa einem Viertel der Signalfehlerrate von Methoden, die eine optimale Modulation verwenden. Überraschenderweise erzielte das Gerät auch deutlich niedrigere Fehlerraten als Sender, die herkömmliche Modulation verwenden.
„Der traditionelle Ansatz ist so tief verwurzelt, dass es eine Herausforderung war, nicht zum Status quo zurückzukehren, zumal wir Dinge geändert haben, die wir oft für selbstverständlich halten, und Konzepte, die wir seit Jahrzehnten lehren“, sagt Médard. Diese Architektur könnte zur Verbesserung der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit aktueller drahtloser Kommunikationsgeräte eingesetzt werden und bietet gleichzeitig die Flexibilität, in zukünftige Geräte integriert zu werden, die eine optimale Modulation verwenden.
Zukünftige Forschung
Als Nächstes wollen die Forscher ihren Ansatz anpassen, um zusätzliche Techniken zu nutzen, die die Effizienz steigern und die Fehlerraten bei drahtlosen Übertragungen reduzieren könnten.
„Dieser integrierte Hochfrequenz-Schaltkreis für optimale Modulationsübertragung ist eine bahnbrechende Innovation gegenüber der herkömmlichen HF-Signalmodulation. Er wird eine wichtige Rolle für die nächste Generation der drahtlosen Konnektivität wie 6G und Wi-Fi spielen“, sagt Rocco Tam, NXP Fellow für Forschung und Entwicklung im Bereich Wireless Connectivity SoC bei NXP Semiconductors, der nicht an dieser Forschung beteiligt war.
Partner
Diese Arbeit wird teilweise von der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), der National Science Foundation (NSF) und dem Texas Analog Center for Excellence unterstützt.
