«Умные» антенны помогут сделать доступным 5G

[Сергей Горбачевский]

В будущем индустрии сотовой связи неизбежно придётся переходить на новый стандарт. Рано или поздно, но пропускной способности 4G-сетей станет недостаточно. Это неизбежно. Но одним из факторов, способным существенно ускорить внедрение некой абстрактной технологии 5G, является узость доступного радиочастотного диапазона. Доступного для коммерческого использования, разумеется. Решением проблемы может стать переход на другую часть радиочастотного спектра — миллиметровый диапазон. О том, что мешает нам сделать это уже сейчас и что поможет в будущем, мы и хотим рассказать в переводе одной статьи.

Почти назревшая проблема

Жестокий дефицит частот, доступных сотовым операторам, вынуждает их тратить огромные средства на приобретение прав использования. Иногда приходится даже идти на такие шаги, как поглощение конкурентов с целью получения принадлежащего им кусочка радиочастотного диапазона. Такая нездоровая ситуация сложилась потому, что индустрия на протяжении своего 40-летнего существования полагалась исключительно на дециметровый диапазон, 300 МГц-3 ГГц. Но он занимает лишь около 1% от всего регулируемого спектра частот. Радиоинженеры всегда считали его наиболее подходящим для сетей мобильной связи. Длины волн в этом диапазоне достаточно короткие, чтобы можно было обойтись маленькими антеннами. Но при этом длины волн ещё хватает на огибание и прохождение сквозь препятствия вроде зданий и растительности. Даже при небольшой мощности излучения дециметровый диапазон позволяет обеспечить связь на дальности в несколько километров почти в любом радиоокружении, хоть в мегаполисе, хоть в полях.

Проблема в том, что дециметрового диапазона уже не хватает, вне зависимости от того, сколько операторы готовы заплатить. Многократно возросло использование смартфонов и планшетов, люди активно пользуются на них интернетом, смотрят потоковое видео, «на лету» делятся фотографиями — сегодня «по воздуху» передаётся больше информации, чем когда-либо до этого. Мировой мобильный трафик почти удваивается каждый год, если верить отчётам Cisco и Ericsson, и этот экспоненциальный рост будет продолжаться в обозримом будущем. К 2020 году средний мобильный пользователь будет скачивать около 1 терабайта в год.

Различные группы, развивающие беспроводные стандарты, выработали всевозможные рекомендации по увеличению пропускной способности сетей LTE. Здесь и использование нескольких антенн, и уменьшение размеров сот, и «умное» взаимодействие между устройствами. Но ни одно из этих решений не позволит справиться с ростом трафика в течение ближайших 4-6 лет. Представители индустрии считают, что технология 5G окажется востребована уже к концу этого десятилетия. И чтобы развернуть новые сети, операторам необходимо получить новые диапазоны. Только где их взять?

Миллиметры

Миллиметровый диапазон лежит в пределах от 30 до 300 ГГц. Однако для наших условий можно отнести к нему и большую часть прилегающего сантиметрового диапазона, 10-30 ГГц, потому что его волны огибают препятствия почти так же, как миллиметровые. В большинстве случаев государственные регулирующие органы могут выделить участок шириной до 100 ГГц. Это более чем в 100 раз превышает ширину диапазона, выделенного сегодня на нужды сотовой связи. То есть, теоретически, операторы смогут в 100 раз увеличить пропускную способность по сравнению с сетями LTE.

Если вам кажется, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, то вы далеко не одиноки. До самого недавнего времени большинство специалистов сказали бы то же самое. Операторы всегда отвергали возможность использования миллиметрового диапазона, потому что необходимое для этого оборудование было слишком дорогим. Также распространено мнение, что миллиметровые волны хуже распространяются в условиях застройки, поглощаются или рассеиваются атмосферой, каплями дождя и растительностью, а также не могут проникать внутрь помещений.

Однако все эти представления сейчас быстро опровергаются.

История

Новая для мобильных коммуникаций миллиметровая технология имеет давнюю и интересную историю. В 1895 году, за год до того, как Гульельмо Маркони продемонстрировал свой телеграфный аппарат, индус-энциклопедист Джагдиш Чандра Боше обнародовал первый в мире сигнальный прибор на миллиметровых волнах. Используя искровой передатчик, он отправил сквозь три стены и тело местного губернатора сигнал на частоте 60 ГГц на воронкообразную рупорную антенну с детектором, расположенные в 23 метрах. В качестве подтверждения принятого сигнала простое устройство издало звонок, выстрелило из ружья и взорвало маленькую мину.

Однако изобретение Боше вышло за стены лаборатории лишь более 50 лет спустя. Первыми начали использовать миллиметровые устройства военные и радиоастрономы, которые адаптировали их для радаров и радиотелескопов соответственно. Через несколько десятилетий подтянулись автопроизводители, применившие миллиметровые частоты для создания круиз-контроля и системы предупреждения о столкновении.

Во время бума доткомов были помпезно запущены проекты по использованию миллиметрового диапазона для создания локальных сетей. Для этих целей правительства многих стран выделили или выставили на аукцион огромные полосы частот. Но готовые продукты выходили с трудом. Производители быстро сообразили, что миллиметровые радиочастотные схемы и антенны оказались весьма дорогими. Полупроводниковая индустрия попросту не имела стимула для производства коммерческих устройств, достаточно быстрых, чтобы работать на таких частотах. Так что около 20 лет миллиметровый диапазон оставался невостребованным.

Наши дни

Но теперь ситуация меняется. Благодаря закону Мура и росту популярности всяких основанных на радарных технологиях опций для дорогих автомобилей, сегодня можно упаковать готовое миллиметровое радио в CMOS или кремний-германиевый чип. Так что цена на миллиметровые устройства быстро снижается. Многие high-end-смартфоны, телевизоры, игровые ноутбуки сегодня содержат беспроводные чипсеты, работающие по двум конкурирующим стандартам: Wireless High Definition (WirelessHD) и Wireless Gigabit (WiGig).

Эти технологии не предназначены для связи, например, смартфона с базовой станцией. Они обеспечивают передачу больших объёмов данных, вроде несжатого видео, на небольшие расстояния без неудобных Ethernet- или HDMI-кабелей. Оба стандарта работают на частотах около 60 ГГц, в полосе шириной 5-7 ГГц, в зависимости от требований той или иной страны. Подобные полосы частот гораздо шире, чем у самых быстрых Wi-Fi-сетей, и могут обеспечить пропускную способность до 7 Гбит/с.

Производители оборудования для сотовых сетей тоже начали осознавать преимущества ультрашироких полос в миллиметровом диапазоне. Некоторые уже начали использовать миллиметровые компоненты для обеспечения высокоскоростной связи на расстоянии прямой видимости между базовыми станциями и магистральными сетями, экономя на использовании оптоволокна.

Однако эксперименты по созданию сотовой связи на базе нового диапазона всё равно ведутся. Ниже представлен прототип сети от Samsung. Он включает в себя массив из 64 антенн размером с таблетку, фазированную антенную решётку, направляющую сигнал в нужную точку. Аналоговые данные оцифровываются, что позволяет тонко управлять сегментами массива и использовать пространственное мультиплексирование (MIMO). Оператор может выбирать, отправлять ли данные на несколько устройство одновременно или сконцентрировать луч на одном устройстве, увеличив скорость скачивания.

Несмотря на очевидные подвижки в сфере внедрения миллиметровых устройств, многие эксперты по-прежнему скептически относятся к мысли, что этот диапазон может обеспечивать устойчивую сотовую связь. Главная претензия заключается в невозможности качественного покрытия, особенно в условиях плотной застройки, потому что нельзя обеспечить постоянную прямую видимость между базовой станцией и всеми конечными устройствами. Если, к примеру, пользователь со смартфоном встанет за деревом или войдёт в подъезд, то миллиметровые волны, вероятно, не смогут пробить эти препятствия.

Продолжение следует...

[Сергей Горбачевский]

«Умные» антенны помогут сделать доступным 5G (часть 2)

В предыдущей части переводной статьи мы рассказывали о перспективах использования миллиметрового диапазона для создания сетей связи нового поколения и текущем состоянии дел в этой сфере. Во второй части представлено описание различных экспериментов по проверке дальности и устойчивости связи в миллиметровом диапазоне. Также мы наконец выясним, могут ли эти частоты лечь в основу сетей нового поколения.

Результаты экспериментов

Насколько же верны опасения относительно плохого покрытия и низкой проникающей способности миллиметровых волн? В 2011 году в Техасском университете проводились эксперименты по выяснению, как миллиметровые волны рассеиваются и отражаются различными объектами у них на пути, как быстро сигнал теряет энергию. Использовались приёмные рупорные антенны, являвшиеся развитием применённой более 100 лет назад конструкции Боше. Такая антенна формирует направленный концентрированный луч без увеличения мощности передатчика или приёмника. Четыре антенны были размещены на вращающихся роботизированных платформах, чтобы направлять сигнал в любом направлении.

Подобное управление лучом может стать ключевой особенностью будущих миллиметровых систем сотовой связи. Причём как на базовых станциях, так и на конечных устройствах. Но для этого придётся внедрить в смартфоны и планшеты массивы электронно управляемых антенн.

Всего было протестировано более 700 комбинаций взаимного расположения передатчиков и приёмников. Частота сигнала составляла около 38 ГГц. Эта часть диапазона является хорошим кандидатом на использование в сотовой связи, потому что уже выделена для коммерческого использования во многих странах.

В ходе проведённых экспериментов обнаружилось, что миллиметровые волны обеспечивают очень хороший уровень покрытия. В частности, не было необходимости поддерживать прямую видимость между приёмником и передатчиком, высокая способность к отражению оказалась преимуществом, а не недостатком волн этого диапазона.

Конечно, как и в случае с любой беспроводной системой, вероятность потери сигнала вырастала по мере удаления приёмника от передатчика. В случае с сигналом низкой мощности перебои начинались примерно с расстояния в 200 метров. Для ранних поколений сотовой связи это было бы проблемой, но в последние годы операторы вынуждены уменьшать размеры сот ради увеличения пропускной способности. В наиболее плотно населённых районах, например, в центре Сеула, начали создавать сверхмалые соты на базе компактных базовых станций, помещающихся на фонарный столб или киоск на автобусной остановке. Такие соты действуют на расстоянии не более 100 метров.

Ещё одним аргументом в пользу малых сот является рассеивающее воздействие дождя на миллиметровые волны, они теряют энергию быстрее, чем дециметровые. Однако исследования показали, что на расстоянии в несколько сотен метров этот эффект незначителен. Хотя есть и несколько исключений.

Затем тот же эксперимент, с той же аппаратурой, был проведён в Нью-Йорке, одном из наиболее радионасыщенных городов в мире. В течение 2012-2013 годов изучалось поведение волн на частотах в 28 и 73 ГГц, тоже выделенных под коммерческое использование. Результат оказался практически таким же. Даже на улицах Манхэттэна на расстоянии 200 метров связь держалась в течение 85% времени. Более точные антенные массивы смогут увеличить расстояние устойчивой связи свыше 300 метров.

Также было выяснено, что волны указанных частот проходят сквозь гипсокартон и стекло с небольшими потерями энергии. Кирпич, бетон и сильно тонированное стекло их практически полностью блокируют. Поэтому в зависимости от конструкции зданий, операторам может понадобиться устанавливать репитеры, чтобы обеспечить связь внутри помещений.

Новые исследования

Вдохновлённые вышеописанными результатами, исследователи из Техасского университета совместно со специалистами Samsung начали создавать прототип коммуникационной системы. Вместо громоздких моторизованных рупорных антенн были применены массивы из прямоугольных металлических пластинок, называющихся патч-антеннами. Их большим преимуществом является малый размер, который должен обязательно составлять половину длины волны. Прототип создавался под сигнал в 28 ГГц (около 1 см), поэтому каждая патч-антенна была не больше 5 мм.

Подобные массивы антенн (фазированные антенные решётки) давно и успешно применяются в радарах и космической связи, и многие производители чипов, включая Intel, Qualcomm и Samsung сегодня внедряют их в чипсеты WiGig. Благодаря электронному управлению сигналом каждой антенны, такие массивы позволяют быстро перестраивать луч и направлять его на конкретное устройство.

Массив, который может удерживать луч на движущемся объекте, называется адаптивным, или «умным». Чем больше массив, тем уже может быть луч. Для перестройки луча массив изменяет амплитуду или фазу (или обоих) сигнала с каждой антенны. Применительно к сотовой сети, базовая станция и конечное устройство устанавливают связь, «нащупывая» лучами друг друга, определяя, в каком направлении сигнал сильнее всего. После чего устанавливается канал связи.

Такое формирование и управление лучом можно реализовать двумя способами.

Первый способ: аналоговый сигнал прямо перед передачей (или сразу после приёма) подвергается обработке цифровыми регуляторами фазы или усилителями.

Второй способ: обработка происходит в цифровой форме перед конвертацией в аналог (или после оцифровки).

У каждого подхода свои плюсы и минусы.

Цифровое формирование луча даёт более высокую точность. Но оно сложнее, а следовательно, дороже, поскольку требует отдельных вычислительных модулей и «прожорливых» цифроаналоговых (или аналогоцифровых) конвертеров для каждой патч-антенны.

Аналоговое формирование луча, напротив, проще и дешевле, поскольку для этого используются фиксированные компоненты. Но этот метод менее гибкий.

Чтобы взять всё лучшее от обоих методов, в прототипе была применена гибридная архитектура. В частности, использовались регуляторы фазы на аналоговом фронт-энде для формирования узких направленных лучей, что позволило увеличить дальность связи. В бэк-энде была применена цифровая обработка для раздельного управления разными секциями массива. Цифровой ввод дал возможность направлять одновременно несколько лучей на несколько конечных устройств, или концентрировать все лучи на одном устройстве. То есть был применён метод MIMO.

Массив из 64 антенн был размером с листок для заметок. Он был поделён на два MIMO-канала, каждый из которых использовал полосу в 500 МГц и мог сформировать луч шириной в 10 градусов. В лабораторных условиях эти два луча позволяли обеспечить почти безошибочную передачу данных со скоростью более 500 Мбит/с на две мобильные станции одновременно. Оба луча, направленные на одну станцию, позволяли передавать данные со скоростью более 1 Гбит/с. Для сравнения в Нью-Йорке средняя скорость в сетях LTE составляет около 10 Мбит/с, а в теории может достигать 50 Мбит/с.

Прототип обеспечивал устойчивую связь при движении мобильных станций в случайных направлениях со скоростью до 8 км/ч. Связь поддерживалась на расстоянии почти в 300 м вне прямой видимости. А при отсутствии препятствий между приёмником и передатчиком дальность связи возрастала до 2 км.

Обратите внимание, что данный прототип был создан всего лишь для доказательства концепции. Если использовать более широкую полосу, более узкие лучи и увеличить число MIMO-каналов, то можно добиться гораздо более высоких результатов по скорости передачи и дальности связи. Компьютерное моделирование показало, что в условиях реальной застройки можно вполне обеспечить скорость передачи на уровне нескольких гигабит в секунду.

Но есть одно важное ограничение — где взять свободное место для размещения антенного массива в смартфонах и планшетах? В Samsung Galaxy Note II удалось впихнуть по 32 антенны в верхней и нижней части устройства, что обеспечило покрытие в 360 градусов.

Заключение

Все эти многочисленные эксперименты дают все основания полагать, что сотовая связь на основе миллиметрового диапазона не просто возможна, она станет прорывом. Конечно, работы пока находятся на начальной стадии. Для создания полноразмерной инженерной модели сети потребуется разработать статистические модели миллиметровых каналов, алгоритмы формирования луча, новые энергоэкономичные стандарты и многое другое. Государственные организации также должны быть вовлечены в этот процесс.

Сейчас различные промышленные группы по всему миру уже находятся в поиске кандидатов на роль «технологий 5G», включая схемы управления интерференцией и плотные архитектуры на основе малых сот. И уже приходит понимание, что ключевым компонентом, способным совместить всевозможные ингредиенты, является миллиметровый диапазон.

— Конечно, пока рано говорить не то о что о сроках, но даже о каких-то конкретных технологиях, которые лягут в основу 5G. Миллиметровый диапазон нельзя назвать полностью подходящим для организации сотовой связи. Но вполне возможно, что его достоинства перевесят недостатки, и разработчики придумают, как компенсировать самые важные «неудобства».

Просмотр ссылок доступен только зарегистрированным пользователям