Компания
125,37
рейтинг
19 сентября 2014 в 14:17

Разработка → «Умные» антенны помогут сделать доступным 5G (часть 1) перевод

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 материала читайте в следующем посте. В нем будет идти речь о ряде экспериментов по проверки дальности и устойчивости связи в миллиметровом диапазоне, об имеющихся разработках и дальнейших перспективах этой технологии.
Автор: @Yota4All Theodore S. Rappaport, Wonil Roh & Kyungwhoon Cheun
Yota
рейтинг 125,37

Комментарии (12)

  • 0
    А тем временем в Украине даже лицензия на 3G только у одного не очень популярного провайдера. Что там уж говорить про 4G.
    • +6
      У вас в начале 15 года одновременно запуститься 3G+4G местами даже Advance.

      ЗЫ Yota, Зачем нам эти скорости нужны если ты шейпешь трафик на торрентах и других тяжелы протоколах? или с приходом 5G не будет шейпинга?
      • 0
        Я бы на нашем месте не был бы так уверен в светлом будущем. И мне тоже интересно, зачем может понадобиться высокая скорость, кроме как для потребления тяжеловесного контента. Ладно бы задержки становились сильно меньше. Но если и становятся, то не столь существенно.
      • 0
        Пруф? Это кто-то языком почесал или официальные документы есть (хоть и они порой ничего не значат)?
    • 0
      3G есть, как минимум, у Интертелекома, МТС, ПиплНет, только не HSPA, a EV-DO.
      • 0
        А вот меня как раз интересует UMTS, так как нужно пользоваться на смартфоне. Меня EDGE со своей скоростью достал. У нас Utel как собака на сене. Ни у кого больше лицензии нет.
  • +1
    На рисунке под надписью Приёмник перепутано «аналог» с «цифра».
  • –2
    «могут выделить участок шириной до 100 ГГц. Это более чем в 100 раз превышает ширину диапазона выделенного сегодня на нужды сотовой связи» — дальше не читал, автор не знает темы.
    • 0
      Для тех кто не в курсе: операторам не дают даже 100 мегагерц полосу, они даже от полосок по 40 мегагерц нарезанных одним куском будут беспредельно счастливы и запустят LTE на полных скоростях без проблем.
      100 ГГц в общем эфире им никто никогда не даст, и не нужно им столько.
  • 0
    А вот в буржуазных странах, говорят, некоторые компании отказались от концепции увеличения пропускной способности и думают в пользу микросотового покрытия, где оффлоад мобильного трафика на себя возьмут сети Wi-Fi. Говорят даже технологию HotSpot 2.0 придумали для автоматического перехода в БЛВС с аутентификацией по данным сим карты. Что вы думаете по этому поводу?
    • 0
      Поскольку мы виртуальный оператор, то не занимаемся непосредственно развитием инфраструктуры.
      • 0
        Очень странно: в статье вы рассуждаете об увеличении пропускной способности за счёт расширения полосы. Т.е. затрагиваете именно инфраструктурные вопросы. Расширение полосы частот и офлоад трафика в микросоты — вопросы одного порядка и одной сферы.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

Самое читаемое Разработка