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Un sistema per una comunicazione simultanea stabile tra migliaia di dispositivi IoT

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Per dimostrare la massiccia connettività del sistema, viene effettuata una valutazione basata sulla traccia di 1100 trasmissioni di tag simultanee. La figura mostra il risultato della demodulazione di ogni singolo tag come triangoli rossi, dove comunicano con successo senza collisioni. Credito: KAIST SMILE Lab

Un team di ricerca guidato dal professor Song Min Kim della KAIST School of Electrical Engineering ha sviluppato un sistema in grado di supportare comunicazioni simultanee per decine di milioni di dispositivi IoT utilizzando onde millimetriche di retrodiffusione (mmWave).

Con il loro metodo di retrodiffusione mmWave, il team di ricerca ha realizzato un progetto che consente la demodulazione simultanea del segnale in un ambiente complesso per la comunicazione in cui decine di migliaia di dispositivi IoT sono disposti all’interno. L’ampia gamma di frequenza di mmWave supera i 10 GHz, il che offre una grande scalabilità. Inoltre, il backscattering riflette i segnali irradiati invece di crearne di propri in modalità wireless, il che consente il funzionamento a bassissima potenza. Pertanto, il sistema di retrodiffusione mmWave offre connettività Internet su larga scala ai dispositivi IoT a un basso costo di installazione.

Questa ricerca di Kangmin Bae et al. è stato presentato all’ACM MobiSys 2022. In questa conferenza di fama mondiale per i sistemi mobili, la ricerca ha vinto il Best Paper Award con il titolo “OmniScatter: Sensitivity mmWave Backscattering Using Commodity FMCW Radar”. È significativo che i membri della KAIST School of Electrical Engineering abbiano vinto il Best Paper Award all’ACM MobiSys per due anni consecutivi, poiché l’anno scorso il premio è stato assegnato per la prima volta a un istituto asiatico.

L’IoT, come componente principale della rete 5G/6G, sta mostrando una crescita esponenziale e si prevede che farà parte di un trilione di dispositivi entro il 2035. Per supportare la connessione di dispositivi IoT su larga scala, 5G e 6G mirano a supportare dieci volte e 100 volte la densità di rete di 4G, rispettivamente. Di conseguenza, è stata sollevata l’importanza di sistemi pratici per la comunicazione su larga scala.

mmWave è una tecnologia di comunicazione di nuova generazione che può essere incorporata negli standard 5G/6G, poiché utilizza onde portanti a frequenze comprese tra 30 e 300 GHz. Tuttavia, a causa della riduzione del segnale alle alte frequenze e della perdita di riflessione, l’attuale sistema di retrodiffusione mmWave consente la comunicazione in ambienti limitati. In altre parole, non può operare in ambienti complessi dove sono presenti vari ostacoli e riflettori. Di conseguenza, è limitato alla connessione su larga scala di dispositivi IoT che richiedono una disposizione relativamente libera.

Il team di ricerca ha trovato la soluzione nell’elevato guadagno di codifica di un radar FMCW. Il team ha sviluppato un metodo di elaborazione del segnale in grado di separare fondamentalmente i segnali di retrodiffusione dal rumore ambientale mantenendo il guadagno di codifica del radar. Hanno raggiunto una sensibilità del ricevitore di oltre 100 mila volte quella dei radar FMCW precedentemente segnalati, che possono supportare la comunicazione in ambienti pratici. Inoltre, data la proprietà del radar in cui la frequenza del segnale demodulato cambia a seconda della posizione fisica del tag, il team ha progettato un sistema che assegna loro i canali passivamente. Ciò consente al sistema di comunicazione a retrodiffusione a bassissima potenza di sfruttare appieno la gamma di frequenza a 10 GHz o superiore.

Il sistema sviluppato può utilizzare il radar di prodotti commerciali esistenti come gateway, rendendolo facilmente compatibile. Inoltre, poiché il sistema di retrodiffusione funziona a livelli di potenza ultra bassi di 10 uW o inferiori, può funzionare per oltre 40 anni con una singola pila a bottone e ridurre drasticamente i costi di installazione e manutenzione.

Il team di ricerca ha confermato che i dispositivi di retrodiffusione mmWave disposti casualmente in un ufficio con vari ostacoli e riflettori potrebbero comunicare in modo efficace. Il team ha quindi fatto un ulteriore passo avanti e ha condotto una valutazione basata sulla traccia di successo in cui ha ricevuto simultaneamente le informazioni inviate da 1.100 dispositivi.

La loro ricerca presenta una connettività che supera di gran lunga la densità di rete richiesta dalle comunicazioni di prossima generazione come 5G e 6G. Il sistema dovrebbe diventare un trampolino di lancio per il futuro iperconnesso a venire.

Il professor Kim afferma che “il backscatter mmWave è la tecnologia che abbiamo sognato. La scalabilità di massa e la potenza ultrabassa a cui può far funzionare i dispositivi IoT non hanno eguali in nessuna tecnologia esistente”.

Ha aggiunto che non vedono l’ora che questo sistema venga utilizzato attivamente per consentire l’ampia disponibilità dell’IoT nella futura generazione iperconnessa.

La ricerca è stata pubblicata in Atti della 20a conferenza internazionale annuale sui sistemi mobili, applicazioni e servizi.


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