Onderzoekers verkleinen chip voor full duplex verzenden en ontvangen gegevens

Onderzoekers van de Colombia University zijn erin geslaagd om de capaciteit van het versturen en ontvangen van data over dezelfde draadloze frequentie te verdubbelen. De data werden daarbij full duplex verstuurd. De onderzoekers wisten de benodigde circulator te integreren op de chip.

Een jaar geleden kregen onderzoekers van dezelfde groep het al voor elkaar om gegevens over dezelfde frequentie gelijktijdig te verzenden en te ontvangen. Nu is het dezelfde groep gelukt om het geheel te verkleinen en slechts één antenne voor zenden en ontvangen te gebruiken.

Om beide signalen op één chip te kunnen ontvangen, moet gebruik worden gemaakt van een circulator. Over het algemeen bestaat een circulator uit een magnetisch materiaal, wat integratie lastig maakt. Het is de onderzoekers nu dus gelukt een circulator op een cmos te krijgen zonder magnetisch materiaal nodig te hebben.

Een circulator moet Lorentz' reciprociteit of wederkerigheid onderbreken. Het reciprociteitsbeginsel beschrijft de interactie tussen verschillende elektromagnetische apparaten, bijvoorbeeld twee antennesystemen. Phd-student Negar Reiskarimian ontwikkelde het circuit voor in de cmos. Op Eurekalert zegt hij dat het doel van de groep was om met conventionele materialen een simpele en effectieve manier te ontwikkelen om Lorentz' reciprociteit te onderbreken. De circulator op nanoschaal moest ook te verwerken zijn op een chip.

Samen met het team van de Colombia University ontwikkelde Reiskarimian een kleine circulator die gebruikmaakt van schakelingen om het signaal rond te sturen via een aantal condensators. Zo moet de niet-wederkerige 'twist' van het signaal, die aanwezig is in magnetische materialen, worden geëmuleerd. Om te demonstreren dat ze het bij het rechte eind hadden, bouwden de onderzoekers een protoype van een fullduplexsysteem in silicium. Ze demonstreerden dit systeem op de IEEE International Solid State Circuits Conference in februari.

Er is veel vraag naar dit soort circuits, omdat het potentieel de netwerkcapaciteit kan verdubbelen ten opzichte van de halfduplexsystemen waarvan de meeste huidige draadloze netwerken gebruikmaken.

Het onderzoeksartikel verscheen donderdag in Nature Communications.

Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.

Reacties (22)

[friend]

Het blijft lang stil hier, de kop van het artikel geeft niet echt aan de doorbraak die hiermee bereikt is. Tot nu toe was deze techniek vrijwel niet bruikbaar in onze huidige electronica. Het is in deze vorm mogelijk dit op allerlei gebieden toe te passen: mobiele telefonie, WiFi, Bluetooth, etc. Hiermee kan in één slag een halvering van de bandbreedte worden bereikt of een verdubbeling van de capaciteit (uiteraard niet één richting op, maar up+down). Natuurlijk moeten hiervoor wel diverse standaarden worden uitgebreid (wat tijd kost), maar dit zal waarschijnlijk op vrij korte termijn al in de praktijk toegepast worden.

[Reactie gewijzigd door friend op 22 juli 2024 19:29]

[Balance]

Praktijkvoorbeeld: Stel je voor je upload een foto naar Facebook, en download tegelijkertijd je nieuwsfeed van Facebook. De download is 10MB, de foto upload 5MB.

Als je een draadloze snelheid van 20Mb/s heb (dus 2.5MB/s), koste dat met conventionele (half duplex) technologie 10/2.5 + 5/2.5 = 4 + 2 = 6 seconden. Met deze nieuwe techniek (full duplex) kan de upload en download gelijktijdig, waardoor de upload en download in 4 seconden klaar zijn.

[Reactie gewijzigd door Balance op 22 juli 2024 19:29]

[letatcest]

We hebben getwijfeld tussen een paar koppen, onder andere iets als: "onderzoekers integreren circulator op chip" of iets dergelijks. Maar dat is ook niet heel duidelijk voor het gros van de mensen denk ik...

Maar mocht je een beter voorstel hebben: graag! :-)

[i-chat]

"onderzoekers vereenvoudigen chip voor duplex comunicatie", zou misschien een betere dekking aan de lading geven, omdat je daarmee aangeeft dat het nu beter mogelijk is om dingen te doen, die voorheen niet of nauwelijks mogelijk waren,

vooral omdat verkleinen meer geassocieerd word met bijv de nanometer-race bij cpu-chips.

[Jazco2nd]

Als ik nu een mobiel gesprek voer, is dat toch sowieso full duplex?
Maar als ik dat via SIP/VOIP doe, is dat dus full duplex waarbij ik kleine pakketjes zend en grote ontvang? Ik dacht dat alles allang volledig full duplex was. En dat deze nieuwe vinding het veel efficienter kan laten gebeuren.

[RedShift]

Draadloze netwerken zoals Wifi (802.11) zijn half duplex. Dat wil zeggen dat je gegevens kan verzenden en ontvangen, maar *niet* tegelijkertijd. Tegenover full duplex, wat communcatie in beide richtingen én tergelijkertijd toestaat.

In essentie werken draadloze netwerken zoals walkie-talkies: Slechts één iemand kan tergelijkertijd praten. Door met je gesprekspartner af te spreken dat na elke zin "over" gezegd wordt, weet je partner wanneer het zijn beurt is en weet jij ook wanneer het jouw beurt is.

Wat als we dit proces even automatiseren en versnellen? Als elke kant 1/100ste van een seconde de knop induwt en weer loslaat, dan krijgt elke kant 50/100sten (halve seconde dus) tijd om gegevens te ontvangen, en 50/100sten om gegevens te verzenden in een tijdsbestek van 1 seconde. Dit is nog altijd half duplex want op eender welk moment is één iemand aan het
zenden en één iemand aan het ontvangen. Maar als het interval tussen het indrukken en loslaten van de knop klein genoeg wordt, dan zal het voor jou klinken alsof je beiden tergelijkertijd kan spreken!

Combineer dit met een microchip en dan kan je duizenden keren per seconde wisselen van kant. Door de gegevens slim te coderen en de intervallen kort te houden kan je veel gegevens weg en weer sturen.

Je kan dit overigens empirisch bewijzen door onder zo ideaal mogelijke omstandigheden een snelheidstest te doen met één access point en één draadloze client in een bv. 802.11g netwerk. 11g is rated op 54 megabit per seconde, en wat je zal merken is dat je in één richting tot +- 20 megabit haalt. Dat tegenover een bedraad ethernet netwerk, waar je met een 100 megabit netwerkkaart de volle 100 megabit per richting zal kunnen halen.

De reden waarom de huidige draadloze netwerken nog steeds half duplex zijn, is door beperkingen in antenne en chiptechnologie. Tot op heden was het niet mogelijk om full duplex te communiceren over één radiofrequentie. Dit is wat de uitvindingin het nieuwsartikel oplost.

[itcouldbeanyone]

Je hebt toch echt een hearthbeat /SYNC/over commando nodig aan het eind van je bericht wat je verstuurd.
als je hakf duplex wilt draaien. zonder de comando dat jij klaar bent met praaten, kun je je zin nog beginnen met een x aantal nulletjes om zo voorang te krjjgen over je kabel.
maar zodra je doet wat jij zegt automatiseren van de tijdsintervallenmkrijg je op ten duur problemen, omdat bijde nodes alsnog op het zelfde tijdsbestek gaan praten.
tuurlijk je kan je timer op 0 zetten waneer je wat ontvangen hebt, en dat als sync gebruiken.
maar op hige frequentie zal het alsnog voor problemen kunnen zorgen

[i-chat]

ja en nee, time-devision was tot nu toe een vrij veel gebruikte manier om semi-duplex verbindingen op te zetten over half-duplex comunicatie, naar mijn idee heeft dat enkel grote nadelen bij high-bandwidth live-comunicatie zoals bijv steaming video. bij audio met een voldoende efficiente codec vallen die problemen alleszins mee. toch is full-duplex wel echt een gigantische stap voorwaarts, en ik ben erg benieuwd waarin dit zich gaan vertallen voor toekomstige standaarden zoals wifi, en bijv de opvolgers van 5G

[itcouldbeanyone]

geen ervaring mee, maar jouwn voorbeeld van audio kan ik het inderdaad goed begrijpen, daar zul je het niet mekren waneer je een 1tje of nullettje mist.

zelf doe ik veel met commenucatie tussen IC's en daar moet je dus voorkomen dat je data mist.

[mohf]

Iets met CRC / checksum van je data meesturen? Dat wordt volgens mij in zo'n beetje elke protocol gedaan.

[itcouldbeanyone]

nee niet overall, het toerental van je auto wordt zonder checksum naar cde boordcomputer verstuurd

[Durandal]

Wat als we dit proces even automatiseren en versnellen? Als elke kant 1/100ste van een seconde de knop induwt en weer loslaat, dan krijgt elke kant 50/100sten (halve seconde dus) tijd om gegevens te ontvangen, en 50/100sten om gegevens te verzenden in een tijdsbestek van 1 seconde. Dit is nog altijd half duplex want op eender welk moment is één iemand aan het
zenden en één iemand aan het ontvangen. Maar als het interval tussen het indrukken en loslaten van de knop klein genoeg wordt, dan zal het voor jou klinken alsof je beiden tergelijkertijd kan spreken!

Combineer dit met een microchip en dan kan je duizenden keren per seconde wisselen van kant.

Dat is dus niet wat ze doen, want dat is nog steeds Time Division Multiplexing (Duplex in dit geval). Ze zenden en ontvangen werkelijk tegelijk over dezelfde frequentie.
Zie de grafiek in het filmpje op 0:30. x-as is daar frequentie, y is tijd. De band overlapt zowel in tijd als frequentie.
Waarschijnlijk hebben ze het voor elkaar om het verzonden signaal van het ontvangen signaal af te trekken om zo het schone ontvangstsignaal te krijgen.

In radar, circulators are used as a type of duplexer, to route signals from the transmitter to the antenna and from the antenna to the receiver, without allowing signals to pass directly from transmitter to receiver.

Circulator duplexer

[Raindeer]

Het is niet zozeer een verdubbeling, want de meeste systemen gaan uit van asymmetrische vormen van communicatie, waarbij de gebruiker kleine pakketjes zend en grote ontvangt. Het is veel meer het punt dat je de communicatie niet hoeft te onderbreken om een acknowledge terug te sturen. Dit is goed voor latency. Daarbij is er de potentie dat je netwerken niet meer hoeft te bouwen met apart upstream en downstream spectrum.

Let wel, een publicatie in Nature zegt iets over de wetenschappelijke waarde. Pas als dit in een publicatie van de IEEE of 3GPP staat, weten we of het praktisch bruikbaar is

[i-chat]

in principe zorgt dit weldegelijk iets over de beschikbare bandbreedte,
je zegt het zelf al, vaak gaat men uit van asemetrische benodigdheden veel ontvangen weinig zenden, toch zegt dit niets over de bandbreedte die daarvoor beschikbaar is, omdat het niet vaak gebeurd dat er voor een bepaald protocol bijv 18mhz voor ontvangst en 2mhz voor verzending word gebruikt, beschikbare overcappacteit kan nu dus veel dynamischer worden toegewezen aan de zendende partij ongeacht of dit nu de server, of de client betreft. dit alles naast je verhaal over het niet hoeven onderbreken van het signaal...

daarnaast zult je zien dat het bij bepaalde apperatuur kan leiden tot minder stroomverbruik omdat er nu niet meer met 2 chips + 2 antennes gewerkt hoeft te worden om een duplex verbinding aan te gaan,

[Sqweekie]

Ik vraag me af of de infrastructuur dan ook niet volledig aangepast moet worden ? Je kan het in een Router steken, maar is het dan nog downwards compatible met de andere standaarden ? Kunnen oudere laptops dan nog verbinding maken enz...

Wel fantastisch dat er nog steeds grote vooruitgang wordt gemaakt op gebied van communicatie.

[i-chat]

Ik vraag me af of de infrastructuur dan ook niet volledig aangepast moet worden ? Je kan het in een Router steken, maar is het dan nog downwards compatible met de andere standaarden ? Kunnen oudere laptops dan nog verbinding maken enz...

sowieso zit je met elke frequentie en elk nieuw protocol vast aan een nieuwe ontvanger, als deze techniek werkbaar blijkt voor bijv wifi of bluetooth dan zal dat vermoedelijk pas bij volgende generaties van gebruikte protocols zijn, en moest je toch al een nieuwe 'insteek-kaart' kopen. ik hoop daarbij vooral dat je met dit soort vernieuwingen grote winst kunt halen uit systemen waar bijv slechts 1 2.4ghz ant in zit door je mPCI / mPCIe kaartje te vervangen. nu zie je namelijk vaak nog dat dergelijke kaartjes ook direct meer antennes vergen waardoor een upgrade aanzienlijk moeilijker blijkt.

[VickyNick]

Interessant onderzoek, het is nu voornamelijk gericht op het verzenden en ontvangen op een frequentie van 750MHz. Ben benieuwd of deze technologie zich makkelijk laat schalen naar de wifi band (2.4GHz/5GHz)

[GeoBeo]

Ik snap de natuurkunde hierachter niet. Kan iemand dit uitleggen?

1 Antenne die zowel verstuurd als ontvangt? Dus de EM golf die uitgezonden wordt door antenne 1, wordt tegelijk gemoduleerd door het signaal dat uitgezonden wordt door een 2e antenne? En die modulatie door antenne 2 wordt achter antenne 1 gemeten (en omgekeerd natuurlijk)?

Het probleem dat hier opgelost is, is dus het (mbv CMOS) heel snel schakelen tussen het circuit dat signaal met vermogen uitzend en het circuit dat het signaal meet aan eenzelfde antenne? Als het verzonden signaal van het ontvangen signaal afgetrokken wordt heb je het ontvangen signaal? zoiets?

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 22 juli 2024 19:29]

[Verwijderd]

Ik heb het eerste stuk van het artikel gelezen, en mijn indruk is dat het hier gaat om een design van een antenne waarbij of het inkomende of het uitgaande signaal volledig gedempt word. Om vervolgens (gok ik) twee antenne's naast elkaar te zetten, die dan tegelijkertijd kunnen zenden en ontvangen.

[GeoBeo]

Daar lijkt het niet op als ik het filmpje bekijk: op de PCB van het prototype zie ik alleen 1 "ANT" (antenne) connector...

[Macshack]

Ik ben benieuwd of dit ook gevolgen kan hebben voor LoRaWAN. Die heeft wettelijke beperkingen over hoe vaak er iets verstuurd mag worden in n tijd (1% dacht ik). Kan deze techniek dat niet oprekken waardoor meer er voor LoRaWAN meer uitzendtijd mag krijgen of dat de chip ook kan luisteren terwijl hij data verzend?