Trabajando en su laboratorio de investigación, Andrea Alú está enfocado es un solo objetivo: duplicar el ancho de banda inalámbrico. “El objetivo final es realizar un dispositivo compacto que pueda habilitar el full-duplex para las comunicaciones inalámbricas, para así transmitir y recibir al mismo tiempo y en el mismo canal de frecuencia”, señaló Alú, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Texas en Austin.

Mientras el mundo se vuelve cada vez más inalámbrico, las tasas de datos avanzan siempre uno o dos pasos más lento que la velocidad que las aplicaciones emergentes -y sus usuarios- requieren. A medida que la compresión y otras técnicas de mejora de ancho de banda existentes alcanzan sus límites, los investigadores académicos de todo el mundo están investigando una variedad de tecnologías y métodos que prometen llevar a la banda ancha inalámbrica a la velocidad deseada -y más allá- al permitir que transmitan y reciban canales para ocupar el mismo espacio en el espectro.

“[Full dúplex] nos permitirá usar mejor el escaso espectro disponible para las comunicaciones inalámbricas”, anotó Alú. “A medida que nuestro mundo depende cada vez más de las comunicaciones inalámbricas y de la transferencia de datos para todo -desde los teléfonos a la Internet de las cosas, la demanda de espectro limitado está creciendo”.

Circulador no magnético

La clave para la investigación de Alú es un circulador de ondas de radio no magnético. Los ingenieros han sabido, por más de medio siglo, que los circuladores magnéticos son capaces de habilitar una comunicación de dos vías en la misma frecuencia. Sin embargo, la técnica nunca fue ampliamente adoptada debido a los inconvenientes de tamaño, peso y costo asociados al uso de imanes y materiales magnéticos.

Liberado de una dependencia de los efectos magnéticos, el circulador desarrollado por Alú y su equipo de investigación ofrece una ocupación reducida de espacio y usa materiales menos costosos que los circuladores normales. El costo del nuevo dispositivo y las eficiencias de tamaño prometen hacer del circulador una tecnología estándar en teléfonos y otros dispositivos móviles. Esto permitirá que el servicio sea más rápido y eficiente, señaló Alú.

El prototipo del circulador del equipo tiene un diámetro de dos centímetros. El dispositivo podría ser, eventualmente, disminuido a solo unos pocos micrones, añadió Alú. El prototipo está hecho de materiales muy usados en circuitos integrados, incluyendo pocas cantidades de oro, cobre y silicona, la cual hace que sea más fácil integrar el circulador en la placa de circuito.

El circulador imita la forma en la que los materiales magnéticos rompen la simetría en las transmisiones entre dos puntos, un atributo que permite a los circuladores magnéticos encaminar selectivamente las ondas de radio. El nuevo circulador logra el mismo efecto, pero sustituye la polarización magnética por una onda que gira alrededor del dispositivo.

“Tener tal pieza de hardware facilita algo sumamente importante para las comunicaciones de ondas de radio”, comentó Alú. La tecnología permite que una radio tenga un par de senderos aislados que conduzcan a la misma antena.”Esto permite transmitir y recibir en el mismo canal de frecuencia, incrementando de manera efectiva el espectro del ancho de banda disponible”, señaló Alú.

Alú tiene muchas ganas de hacer que la tecnología esté disponible comercialmente. Actualmente es CTO de Silicon Audio RF Circulator, empresa con sede en Austin que posee una licencia exclusiva para la invención. “Esperamos disponer de un sistema full-duplex basado en esta tecnología en dos años”, finalizó Alú.

Nueva arquitectura de transceptor

Un grupo de investigación de la Universidad de Bristol ha creado una nueva arquitectura full-duplex de transceptor que puede estimar y anular las interferencias de la propia transmisión del usuario. Esto permite que un dispositivo móvil transmita y reciba en el mismo canal de manera simultánea. Debido a que la tecnología solo requiere un canal para una comunicación de dos vías, utiliza solo la mitad del espacio del espectro que usa la tecnología convencional.

Leo Laughlin, estudiante de doctorado, desarrolló la arquitectura del transceptor basada en una investigación que comenzó el supervisor Mark Beach, profesor de ingeniería de sistemas de radio en Bristol.Las tecnologías facilitadoras esenciales del sistema son las de cancelación digital y analógica. “El transceptor combina el aislamiento del balance eléctrico y la cancelación de la radiofrecuencia activa para suprimir la interferencia por un factor de más de 100 millones”, comentó Laughlin. Un prototipo actual utiliza tecnologías de factor de forma pequeñas y de bajo costo, diseñadas para ser utilizadas en smartphones y tabletas.

El dúplex por división libre puede, en teoría, proporcionar un doble aumento en la eficiencia del espectro. Sin embargo, es probable que un sistema del mundo real ofrezca menos que un doble incremento. “Sin embargo, cualquier aumento en la eficiencia del espectro se traduce en una serie de beneficios, los cuales incluyen un aumento de tarifas de datos y la reducción del consumo de costos y energía en la infraestructura de la red”, dijo Laughlin.

Ya hay un puñado de tecnologías full-duplex en el mercado, indicó Laughlin, dirigidas a la infraestructura de backhaul y las aplicaciones de LTE relay. “Sin embargo, estos sistemas utilizan diferentes técnicas y circuitos de cancelación de los que usa la tecnología que estamos desarrollando”, señaló.

Laughlin sabe que tendrán que pasar varios años para que la tecnología esté disponible en los productos comerciales.

Un enfoque orientado a los chips

Un equipo de investigadores de la Universidad de Columna cree que permitir la comunicación inalámbrica full-duplex eficiente y confiable es una tarea que podrá ser mucho mejor abordada a nivel de chip. El equipo de investigadores liderado por Harish Krishnaswamy, profesor asociado de ingeniería eléctrica, ha desarrollado circuitos de radio integrados full-duplex que pueden ser implementados en una nanoescala CMOS para, de esta manera, permitir una transmisión y recepción simultánea en la misma frecuencia.

“Tener a un transmisor y receptor que usan la misma frecuencia ofrece el potencial para, inmediatamente, duplicar la capacidad de datos de la red”, comentó Krishnaswamy. “Nuestro trabajo es el primero en demostrar que se puede recibir y transmitir de manera simultánea”, añadió. CMOS es la tecnología dominante usada para ICs de radio dentro de los teléfonos y otros dispositivos móviles equipados con radio.

El reto más grande que el equipo tuvo que enfrentar durante su investigación fue cancelar el eco transmisor, un fenómeno que hace imposible el uso de full-duplex. “Lo que necesita hacer es neutralizar ese eco hasta el punto en que sea eliminado casi a la perfección, y en el que el eco residual sea extremadamente pequeño -más pequeño que la señal recibida, la señal deseada- que está intentando recibir de una antena de telefonía móvil lejana.

Dado que el eco es más de mil millones de veces más poderoso que la señal recibida, los circuitos de cancelación del eco deben operar con muchísima precisión. “Necesitamos que los circuitos de cancelación del eco sean precisos y exactos al nivel de una parte por billón”, dijo Krishnaswamy.

Esa precisión es difícil de lograr solo en un software, sin matar el desempeño general del dispositivo. “Esto es algo que necesita ser realizado en un hardware”, añadió Krishnaswamy. “Ese nivel de precisión en la cancelación del eco y la necesidad de manejar y controlar un eco tan fuerte, no se puede hacer únicamente en el procesamiento de la señal”.

Para obtener una calidad óptima, los investigadores aplicaron múltiples niveles de cancelación de eco a su software. “El eco es por lo menos de uno a diez mil millones de veces más potente que la señal que estamos tratando de recibir, por eso usted quiere cancelar ese factor y eso es difícil de hacer con un solo cancelado de señal de eco”, indicó Krishnaswamy. “Así que la manera en que estos sistemas full-duplex tendrán más éxito es teniendo varios niveles de cancelación de eco que simplemente golpeen al eco y lo anulen una y otra vez”.

Krishnaswamy y Jin Zhou, estudiante de un doctorado, están probando la tecnología full-duplex en varios nodos para llegar a entender exactamente qué ganancias podría ser posible obtener a nivel de red. “Estamos ansiosos de ser capaces de entregar las mejoras en el desempeño prometidas”, finalizó Krishnaswamy.

Extra antena

Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice cree que la comunicación inalámbrica full-duplex puede ser lograda de una manera relativamente simple y económica mediante la adición de una pequeña antena extra y un nuevo software para los futuros teléfonos y otros dispositivos de comunicación móvil.

El enfoque se basa en MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), una tecnología inalámbrica que usa varias antenas transmisoras y receptoras para aumentar la capacidad de transferencia de datos de una radio. “Utilizamos un enfoque de antenas múltiples para nuestro sistema full-duplex, porque solamente requiere una cantidad mínima del nuevo hardware, tanto en los dispositivos móviles como en el hardware de la red”, señaló el líder del equipo Ashutosh Sabharwal, un profesor de Rice de ingeniería eléctrica e informática. “Hasta ahora, hemos atraído el interés de casi todas las compañías inalámbricas del mundo”.

Sabharwal expresó que el enfoque está diseñado para atender las necesidades de los usuarios y de los desarrolladores de los dispositivos. “En el lado del dispositivo, hemos probado que podemos suministrar full-duplex fácilmente y de manera rentable como un modo adicional del hardware existente”, anotó. “A medida que los dispositivos móviles se viven más pequeños, el espacio interior se vuelve cada vez más escaso y valioso. Por esto, los fabricantes realmente aprecian los enfoques que no requieren que ellos añadan un nuevo hardware simplemente para proporcionar una capacidad full-duplex”.

La tecnología Rice utiliza un par de señales diseñadas para anular el uno al otro en la antena receptora. “El efecto de cancelación es completamente local, razón por la cual el otro nodo todavía puede escuchar lo que estamos mandando”, mencionó Sabharwal. Él añade que a pesar de que el concepto de cancelación no es nuevo y es relativamente simple en teoría, nadie más había determinado una manera de implementar la idea de forma tal que no que no necesite un nuevo hardware de radio complejo y costoso.

Los investigadores también han desarrollado un modo asíncrono de full-duplex que permite que un nodo inalámbrico comience a recibir una señal, incluso cuando se encuentra transmitiendo.”La transmisión asíncrona es clave para las compañías que desean maximizar el tráfico de red”, señaló Sabharwal.

Sabharwal indicó que, quizá, el reto más grande que los investigadores de full-duplex y la industria inalámbrica están enfrentando es el desarrollo de nuevos estándares inalámbricos que apoyen la tecnología. Sin embargo, él cree que la adopción generalizada de la tecnología full-duplex es simplemente cuestión de tiempo. “Parece posible que full-duplex debute cuando las compañías actualicen sus redes a 4.5G o 5G en unos pocos años”, finalizó Sabharwal.

-John Edwards, Network World (EE.UU.)