Et stort problem med trådløse datakommunikasjon er at man ikke uten videre kan sende og motta signaler på samme tid i det samme frekvensområdet, altså full dupleks. Enten må man bruke to separate frekvensområder til sending og mottak, eller så må man veksle mellom å sende eller motta signalene via ett og samme frekvensområde. Begge deler innebærer en lite effektiv utnyttelse av frekvensområdet som er tilgjengelig.
Signalene som sendes fra en enhet er ved enhetens antenne mye sterkere enn signalene som mottas fra et punkt mye lenger borte. Ethvert forsøk på å motta data på en gitt frekvens blir forhindret ved at radioens mottaker også plukker opp radioen eget, utgående signal, dersom også denne benytter den samme frekvensen.
Det finnes løsninger som gjør full dupleks-funksjonalitet mulig. Den vanligste innebærer bruk av en sirkulator, som ruter signalene fra senderen til antennen, og fra antennen til mottakeren, uten at signalene kan gå direkte fra senderen til mottakeren.
Tunge magneter
Ifølge Andrea Alù, førsteamanuensis ved University of Texas at Austin, er problemet med slike radiobølgesirkulatorer at de er temmelig store og basert på magneter og magnetiske materialer. Både størrelse, vekt og pris gjør dem uaktuelle for bruk i for eksempel mobiltelefoner.
Men nå har en forskningsgruppe ledet av Alù utviklet en ny krets som kan gjøre det mulig å sende og motta signaler på samme tid, via det samme frekvensbåndet. Riktignok er kretsen to centimeter stor, men forskerne mener at den vil kunne krympes ned til noen få mikrometer.
– Vi endrer paradigmet med at isolasjon og toveis overføring på den samme frekvenskanalen kan oppnås. Vi har bygget en sirkulator som verken trenger magneter eller magnetiske materialer, sier Alù i en pressemelding.
I stedet er den laget av materialer som er relativt vanlige i elektroniske kretser, inkludert silisium, kobber og gull.
En artikkel om forskningen ble publisert i magasinet Nature tidligere denne måneden.
Bedre utnyttelse
Forskerne mener at det å kunne bruke en slik sirkulator i mikroelektriske systemer vil gi store fordeler. Det nevnes blant annet raskere nedlastning, færre avbrudd i mobilsamtalene og betydelig klarere kommunikasjon fordi båndbredden kan utnyttes langt mer effektivt i dag. Det har også også betydning for mobiloperatører, som kan utnytte en større del av den teoretiske kapasiteten til innen hvert frekvensområde.
En full dobling av datahastighetene er i teorien mulig, men det avhenger av at man alltid sender like mye data som man mottar. Det er nok knapt noen som gjør dette.
I en ordinær sirkulator sørger de magnetiske materialene for å bryte symmetrien i radiobølgene som overføres mellom to punkter i rommet. Dette gjør det mulig med selektiv ruting av radiobølgene.
Den nye sirkulatoren, som plasseres mellom antennen og resten av radiokomponentene i brukerenheten, kan dessuten stilles inn i sanntid innen det som oppgis å være et bredt spekter av frekvenser. Det er skal ikke være mulig med konvensjonelle sirkulatorer.
Ifølge det amerikanske universitetet brukes magnetbaserte sirkulatorer i dag ofte i radarsystemene til både fly, skip og satellitter. Også innen disse bruksområdene ser man for seg at en mye mindre og lettere løsning kan komme til nytte.
– Vi bringer dette paradigmet til andre områder innen vitenskap og teknologi. Vårt forskningsteam jobber med å bruke dette konseptet til å beskytte lasere, og for å skape integrert fotonikk-kretser i nanostørrelse som ruter lyssignaler, i stedet for radiobølger, i foretrukne retninger, sier Alù.
Supplement?
Også selskapet Kumu Networks, som er etablert av forskere ved Stanford University, har utviklet en løsning for trådløse, full dupleks forbindelser. Denne blir allerede testet av mobiloperatører i USA og Europa, men denne er på papiret langt mer komplisert. Teknologien til Kumu er ifølge MIT Technology Review basert på en brikke som svært raskt beregner hvor mye interferens senderdelen av radioen til enhver tid vil skape, for deretter å skape et kompenserende signal for dette. Resultatet er ifølge Kumu at mottakerdelen til radioen ikke hører støy fra senderen, noe som gjør at den bare mottaker eksterne signaler.
Til MIT Technology Review sier Joel Brand, sjef for produktforvaltning hos Kumu at den nye sirkulatoren helt klart kan være nyttig, og at selskapet gjerne tar den i bruk.
Forskningsprosjektet til Alù er støttet av amerikanske Defense Threat Reduction Agency og Air Force Office of Scientific Research. Det er ikke oppgitt hvilke planer som eventuelt finnes for å kommersialisere teknologien når den er ferdig utviklet.
