Ik had 'm in de nieuwsberichten al voorbij zien komen, maar wilde wat meer achtergronden hebben bij de euforie onder techneuten: Een team Columbiase onderzoekers hebben een techniek uitgevonden — IC's met full-duplex radio — welke toegepast kan worden in nanoscale CMOS waarmee gelijktijdig zenden en ontvangen op dezelfde frequentie mogelijk wordt in een radio.
Tot nu toe werd altijd aangenomen dat dat onmogelijk was: zenders en ontvangers werken óf op verschillende tijden, óf tegelijk maar dan op verschillende frequenties. Het team van Columbia onder leiding van professor Harish Krishnaswamy, is de eerste dat een IC demonstreert dat daar toe in staat is.
“Dit verandert het spel,” zegt Krishnaswamy, directeur van het Columbia high-Speed and Mm-wave IC (CoSMIC) laboratorium. “Door het toepassen van onze nieuwe techniek kunnen netwerken effectief twee keer zoveel apparaten zoals smartphones en tablets kwijt in hetzelfde stukje spectrum.”
In het tijdperk van Big Data is de huidige frequentie spectrum crisis een van de grootste uitdagingen waar onderzoekers voor staan, en het is duidelijk dat de netwerken van vandaag niet in staat zijn om aan de vraag van morgen te voldoen. De huidige standaarden zoals 4G/LTE ondersteunen nu al 40 verschillende frequetiebanden, en er is geen ruimte meer in het radiospectrum voor toekomstige uitbreidingen. Tegelijkertijd is het de uitdaging van de volgende generatie 5G netwerken om de datacapaciteit met een factor 1000 te vergroten.
Dus als een zender en ontvanger tegelijkertijd dezelfde frequentie kunnen gebruiken, verdubbelt dat potentieel meteen de datacapaciteit van de huidige netwerken. Krishnaswamy tekent daarbij aan dat andere onderzoekers en startup bedrijven weliswaar de theoretische haalbaarheid van gelijktijdig zenden en ontvangen hebben aangetoond, maar niemand heeft het tot nu toe ook echt gerealiseerd in nanoscale IC techniek.
“Wij zijn de eerste die een IC demonstreren dat tegelijkertijd kan zenden en ontvangen,” zegt hij. “Dat realiseren in een IC is een kritische succesfactor als we deze functionaliteit willen onderbrengen in mobiele apparaten zoals mobiele telefoons, tablets op WiFi, en in mobiele en WiFi basisstations voor het ondersteunen van full duplex communicatie.”
De grootste uitdaging die het team moest overwinnen voor full duplex was het uitfilteren van het zendersignaal. Stel je voor dat je probeert te luisteren naar iemand die op grote afstand iets fluistert, terwijl er naast je iemand staat te schreeuwen. Als je het geschreeuw naast je uit kunt filteren, kan je de andere persoon horen fluisteren. Nieuw is die techniek niet: in de LF wereld wordt dat als vorkschakeling al lang toegepast in de telefonie, zodat je over 2 draden full duplex kon spreken.
“Als iedereen dat zou kunnen, kon iedereen tegelijk praten en luisteren en duurden gesprekken maar de helft van de tijd,” zegt Jin Zhou, student onder Krishnaswamy en de belangrijkste schrijver van de documentatie. “Transmitter echo of ‘self-interference’ onderdrukking is een fundamentele uitdaging, en al helemaal als je dat wil toepassen in een klein IC op nano-schaal, en wij hebben een manier gevonden om die uitdaging te overwinnen.”
Krishnaswamy en Zhou zijn van plan om een paar full-duplex nodes te gaan testen om te kijken wat er in de praktijk gebeurt. “We werken nauw samen met professor Gil Zussman en zijn ondersteunend student Jelena Marasevic, die experts zijn op het gebied van netwerk theorie bij Columbia Engineering,” zegt Krishnaswamy. “we zullen zeer verheugd zijn als we inderdaad in staat blijken om de beloofde prestaties waar te maken.”
En ik denk dat daarvoor nog heel wat water door de Rijn zal stromen voor het zover is. "Echo cancellation circuits" ofwel vorkschakelingen bestaan bij de gratie van het karakteristiek afsluiten van de transmissielijnen. Op IC niveau is dat wel te realiseren – wat Krishnaswamy nu bewezen heeft. Maar ik weet uit ervaring dat als je een signaal op IC niveau even 70dB gaat versterken om een redelijk vermogen in een antenne te pompen, er heel andere wetten gaan gelden (de wet van behoud van ellende bijvoorbeeld). Full duplex over kabels: ja. Die kan je karakteristiek afsluiten, en externe factoren zoveel mogelijk elimineren. Maar door de lucht? Met instraling van antennes waarvan de impedantie wijzigt bij het aanraken van het apparaat zoals een tablet of mobieltje? En 160dB verschil tussen de 0,1uV gevoeligheid van de ontvanger en de 2W uit de zender van een mobieltje op 1800MHz? Ik moet het nog zien.