Una nueva técnica convierte el problema de energía de 5G Las redes inalámbricas han luchado durante mucho tiempo con relaciones de energía ineficientes

5G tiene un problema de eficiencia energética. Si ya tiene un teléfono inteligente 5G, es posible que haya notado que la última generación de servicios inalámbricos agota la vida útil de la batería de su dispositivo, tanto que los operadores como T-Mobile y Verizon han incluido “apagar 5G” en sus listas de consejos para ahorrar batería.

Pero las ineficiencias integradas de 5G también tienen implicaciones para las redes más amplias. El grupo de la industria inalámbrica GSM Association predice que se gastarán casi US $ 1 billón en implementaciones de 5G para 2025, una cantidad en dólares impulsada significativamente por la necesidad de compensar las ineficiencias energéticas de 5G.

El núcleo del problema surge de las decisiones deliberadas que se tomaron durante el desarrollo de las redes 3G hace décadas. En ese momento, la industria inalámbrica optó por utilizar la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) como técnica de transmisión de señales inalámbricas.

OFDM es excelente para reducir las distorsiones causadas por señales en bandas de frecuencia vecinas, lo que significa que se pueden usar más bandas al mismo tiempo para aumentar la cantidad total de datos transmitidos. La compensación es que OFDM requiere receptores que puedan manejar picos ocasionales pero inevitables en la potencia de la señal varias veces mayores que la potencia de transmisión típica.

Esta enorme diferencia en lo que se denomina “relación de potencia máxima a promedio” (PAPR) es lo que agota las baterías de los teléfonos inteligentes y requiere implementaciones de infraestructura adicionales y costosas. “Desde que 3G estuvo disponible, el mundo ha estado tratando de resolver la ineficiencia”, dice Earl Lum, fundador de EJL Wireless Research.

Pero ahora podría haber una solución al problema de PAPR. Start-up Spectral DSP ha desarrollado y probado una variación en las señales OFDM que podría reducir significativamente el PAPR. Si es correcto, implementar esta nueva técnica en redes inalámbricas reduciría en gran medida el costo de las implementaciones de 5G y prolongaría la vida útil de la batería de los teléfonos inteligentes habilitados para 5G.

Primero, es importante comprender cómo la OFDM da como resultado un PAPR alto. Como su nombre (multiplexación por división de frecuencia ortogonal, como recordatorio) implica, las señales OFDM dividen la señal completa en porciones enviadas usando diferentes frecuencias en la banda de frecuencia que está usando la red. Sin embargo, las frecuencias de estas porciones todavía están muy juntas, por lo que para evitar que diferentes porciones interfieran entre sí, están orientadas ortogonalmente entre sí, lo que solo significa que están orientadas de tal manera que se minimizan las interacciones y oportunidades. para cancelar el uno al otro.

Normalmente, debido a la forma en que se codifican los datos para las señales OFDM, estos fragmentos ortogonales no llegan todos a un receptor en fase entre sí. De vez en cuando, sin embargo, todo se alinea y el amplificador de potencia del receptor recibe la potencia de transmisión máxima de cada fragmento de señal al mismo tiempo.

Si el amplificador de potencia no puede manejar ese pico combinado, las señales se derraman en las bandas de frecuencia cercanas. Como regla general, los organismos reguladores como la Comisión Federal de Comunicaciones no ven con buenos ojos a los operadores inalámbricos que saturan las bandas de frecuencia de sus vecinos. Por lo tanto, los amplificadores de potencia de los receptores están diseñados para manejar esa cantidad de potencia máxima, aunque no se produzca con frecuencia. Esto es lo que agota las baterías de los teléfonos inteligentes y aumenta los costos de energía para las estaciones base y las torres de telefonía celular, ya que para las señales de menor potencia, el amplificador de potencia tiene que purgar su exceso de energía en forma de calor.

“Si estás hablando de un sitio celular, no importa”, dice fred harris (Nota: Harris ha preferido durante mucho tiempo escribir su nombre en minúsculas), profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California en San Diego. “Las cosas más grandes [como las torres de telefonía celular] solo significan más calor, más aire acondicionado, pero estás conectado a la presa Hoover y puedes permitirte pagar. Pero cuando estás en un teléfono móvil, no tienes toda la presa conectada a tu teléfono “.

La idea central de la nueva técnica se basa en el hecho de que cada fragmento de señal tiene un pico principal en la frecuencia específica que está usando, y ese pico son los datos que le interesan, tiene ondas cada vez más pequeñas que se extienden a las frecuencias más altas y más bajas en a ambos lados.

De hecho, parte de la razón por la que el pico de cada fragmento es tan alto es para diferenciar claramente entre cuándo el receptor recibe una señal real y cuándo una de estas ondas. Entonces, lo que Harris desarrolló fue una técnica para suprimir esas ondas, lo que a su vez significa que cada trozo no tiene que tener un pico de potencia tan grande para empezar. El resultado es una variación en OFDM con un PAPR más bajo porque el pico de potencia máxima no es tan alto, a su vez porque el pico de cada fragmento es más bajo y, en última instancia, agrega menos al total.

La técnica puede reducir el PAPR de 3 a 9 dB entre la potencia máxima y la media. Eso significa más tiempo con una sola carga de batería para teléfonos inteligentes y menos dinero gastado por los operadores de red para instalar costosos amplificadores de potencia y equipos de refrigeración en torres de telefonía móvil. También significa que los operadores deben instalar menos torres en general. El PAPR más bajo significa efectivamente que la potencia de transmisión promedio de cada torre puede ser mayor y, por lo tanto, extender el alcance de esa torre.

Y la técnica no es solo teórica. “Puede probar algo matemáticamente, y luego puede probar en MATLAB que las matemáticas funcionan”, dice Gil Zussman, profesor de la Universidad de Columbia e investigador principal del banco de pruebas inalámbrico COSMOS de la National Science Foundation en Manhattan. “Ahora también tiene que demostrar, utilizando hardware, que los resultados de MATLAB tienen sentido” (Zussman y Lum también son asesores de Spectral DSP).

Spectral DSP dio el paso de utilizar de forma remota el banco de pruebas COSMOS durante la pandemia para probar la teoría de Harris en la red inalámbrica de vanguardia del banco de pruebas que abarca docenas de bloques de la ciudad de Nueva York, y descubrió que los resultados matemáticos tenían sentido.

El siguiente paso es encontrar operadores de red y fabricantes de teléfonos móviles interesados ​​en utilizar la técnica. La técnica no requiere la instalación de ningún hardware nuevo; debido a que es un cambio en la modulación de la señal, se puede lograr fácilmente con una actualización de software.

Spectral DSP también anticipa mucho interés: no solo los menores costos operativos y de implementación seguramente atraerán a los operadores de red en el lado de la torre celular, sino que ¿qué compañía no quiere prometer a sus clientes una mayor duración de la batería en sus teléfonos inteligentes? “Solo hay dos preguntas que el cliente quiere saber”, dice Harris. “¿Cuánto me vas a cargar por minuto y cuánto va a durar mi batería?”