Investigadores del MIT y de otros lugares han diseñado un novedoso chip transmisor que mejora significativamente la eficiencia energética de las comunicaciones inalámbricas, lo que podría aumentar el alcance y la duración de la batería de un dispositivo conectado.

Su enfoque emplea un esquema de modulación único para codificar datos digitales en una señal inalámbrica, lo que reduce la cantidad de errores en la transmisión y conduce a comunicaciones más confiables.

El sistema compacto y flexible podría incorporarse a los dispositivos de Internet de las cosas existentes para proporcionar ganancias inmediatas y, al mismo tiempo, satisfacer los requisitos de eficiencia más estrictos de las futuras tecnologías 6G.

La versatilidad del chip podría hacerlo adecuado para una variedad de aplicaciones que requieren una gestión cuidadosa de la energía para las comunicaciones, como sensores industriales que monitorean continuamente las condiciones de la fábrica y electrodomésticos inteligentes que brindan notificaciones en tiempo real.

“Al pensar de forma innovadora, creamos un circuito más eficiente e inteligente para dispositivos de próxima generación, incluso mejor que el más avanzado para arquitecturas tradicionales. Este es solo un ejemplo de cómo la adopción de un enfoque modular que permita la adaptabilidad puede impulsar la innovación en todos los niveles”, afirma Muriel Médard, profesora de Ciencia e Ingeniería del Software de la Escuela de Ciencias NEC, profesora del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y coautora de un artículo sobre el nuevo transmisor.

Los coautores de Médard incluyen a Timur Zirtiloglu, autor principal y estudiante de posgrado de la Universidad de Boston; Arman Tan, estudiante de posgrado de la BU; Basak Ozaydin, estudiante de posgrado del MIT en Ingeniería Eléctrica y Computación (EECS); Ken Duffy, profesor de la Universidad de Northeastern; y Rabia Tugce Yazicigil, profesora asociada de Ingeniería Eléctrica e Informática de la BU. La investigación se presentó recientemente en el Simposio de Circuitos de Radiofrecuencia del IEEE.

Optimización de transmisiones

En los dispositivos inalámbricos, un transmisor convierte datos digitales en una señal electromagnética que se envía por ondas de radio a un receptor. El transmisor realiza esto asignando bits digitales a símbolos que representan la amplitud y la fase de la señal electromagnética, un proceso denominado modulación.

Los sistemas tradicionales transmiten señales con una distribución uniforme mediante la creación de un patrón uniforme de símbolos, lo que ayuda a evitar interferencias. Sin embargo, esta estructura uniforme carece de adaptabilidad y puede resultar ineficiente, ya que las condiciones del canal inalámbrico son dinámicas y suelen cambiar rápidamente.

Como alternativa, los esquemas de modulación óptimos siguen un patrón no uniforme que puede adaptarse a las condiciones cambiantes del canal, maximizando la cantidad de datos transmitidos y minimizando el uso de energía.

Si bien la modulación óptima puede ser más eficiente energéticamente, también es más susceptible a errores, especialmente en entornos inalámbricos saturados. Cuando las señales no tienen una longitud uniforme, puede resultar más difícil para el receptor distinguir entre los símbolos y el ruido que se introduce en la transmisión.

Para superar este problema, el transmisor MIT agrega una pequeña cantidad de relleno, en forma de bits adicionales entre símbolos, para que cada transmisión tenga la misma longitud.

Esto ayuda al receptor a identificar el inicio y el final de cada transmisión, evitando la interpretación errónea del mensaje. Sin embargo, el dispositivo se beneficia de las ventajas de eficiencia energética que ofrece el uso de un esquema de modulación óptimo y no uniforme.

Este enfoque funciona gracias a una técnica que los investigadores desarrollaron previamente, conocida como GRAND, que es un algoritmo de decodificación universal que descifra cualquier código adivinando el ruido que afectó la transmisión.

Aquí, emplean un algoritmo inspirado en GRAND para ajustar la longitud de la transmisión recibida, calculando los bits adicionales añadidos. De esta forma, el receptor puede reconstruir eficazmente el mensaje original.

“Ahora, gracias a GRAND, podemos tener un transmisor capaz de realizar estas transmisiones más eficientes con constelaciones de datos no uniformes, y podemos ver las ganancias”, dice Médard.

Un circuito flexible

El nuevo chip, que tiene una arquitectura compacta que permite a los investigadores integrar métodos adicionales para aumentar la eficiencia, permitió transmisiones con sólo alrededor de una cuarta parte de la cantidad de error de señal de los métodos que utilizan modulación óptima.

Sorprendentemente, el dispositivo también logró índices de error significativamente más bajos que los transmisores que utilizan modulación tradicional.

“El enfoque tradicional se ha arraigado tanto que fue un desafío no volver al status quo, especialmente porque estábamos cambiando cosas que a menudo damos por sentado y conceptos que hemos estado enseñando durante décadas”, dice Médard.

Esta innovadora arquitectura podría utilizarse para mejorar la eficiencia energética y la confiabilidad de los dispositivos de comunicación inalámbrica actuales, y al mismo tiempo ofrece la flexibilidad de incorporarse en dispositivos futuros que empleen una modulación óptima.

A continuación, los investigadores quieren adaptar su enfoque para aprovechar técnicas adicionales que podrían aumentar la eficiencia y reducir las tasas de error en las transmisiones inalámbricas.

“Este circuito integrado de radiofrecuencia con transmisor de modulación óptima es una innovación revolucionaria con respecto a la modulación tradicional de señales de RF. Está llamado a desempeñar un papel fundamental en la próxima generación de conectividad inalámbrica, como 6G y Wi-Fi”, afirma Rocco Tam, miembro de NXP para Investigación y Desarrollo de SoC de Conectividad Inalámbrica en NXP Semiconductors, quien no participó en esta investigación.

Este trabajo cuenta con el apoyo, en parte, de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y el Centro de Excelencia Analógico de Texas.

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