Современные мобильные пользователи хотят более высокую скорость передачи данных и более надежный сервис. Следующее поколение беспроводных сетей – 5G – обещает предоставить всё это, и многое другое. В сетях 5G пользователи получат возможность загрузки фильмов высокой четкости за секунды (задача, которая может занять 10 минут в 4G или LTE). Инженеры говорят, что эти сети будут стимулировать развитие новых технологий, таких как автономные машины, виртуальной реальности и Интернета вещей.
Если всё пойдет хорошо, телекоммуникационные компании надеются начать масштабное коммерческое использование сетей 5G в начале 2020-х годов. Сейчас, правда, 5G всё ещё находится в стадии тестирования. Но все согласны в одном вопросе: по мере увеличения числа мобильных пользователей и их спроса на данные, 5G должна обрабатывать гораздо больше трафика на гораздо более высоких скоростях, чем базовые станции, которые формируют современные сотовые сети.
Для того чтобы достигнуть этого, инженеры разрабатывают набор совершенно новых технологий. Вместе эти технологии будут доставлять данные с задержкой менее миллисекунды (по сравнению с 70 мс в современных сетях 4G) и обеспечивать пользователям пиковую скорость загрузки 20 гигабит в секунду (по сравнению теоретическим 1 Гбит/с на 4G).
На данный момент ещё не ясно, какие технологии будут наиболее эффективны для 5G в долгосрочной перспективе, но появилось несколько первых фаворитов. Среди лидеров – миллиметровые волны, маленькие соты, massive MIMO, полный дуплекс и формирование луча. Чтобы понять, чем 5G будет отличаться от современных сетей 4G, полезно пройтись по этим пяти технологиям и подумать, что каждая из них будет значить для пользователей беспроводной связи.
Миллиметровые волны 5G
Сегодняшние беспроводные сети столкнулись с проблемой: всё больше людей и устройств потребляют больше данных, чем когда-либо прежде, но они по-прежнему ограничены теми же полосами радиочастотного спектра, которые всегда использовали операторы мобильной связи. Это означает меньшую пропускную способность для всех, вызывая более медленное обслуживание и больше разрываемых соединений.
Один из способов обойти эту проблему – просто передавать сигналы на совершенно новом участке спектра, который никогда не использовался для мобильной связи. Вот почему провайдеры экспериментируют с трансляцией на миллиметровых волнах, частота которых значительно выше, чем радиоволн, давно используемых в сетях мобильной связи.
Миллиметровые волны транслируются на частотах между 30 и 300 ГГц, по сравнению с частотами ниже 6 ГГц, которые используются сейчас. Они называются миллиметровые волны, поскольку они различаются по длине от 1 до 10 мм, по сравнению с радиоволнами, которые обслуживают современных смартфонов, которые измеряются десятками сантиметров.
До настоящего времени только операторы спутников и радиолокационных систем использовали миллиметровые волны в реальных условиях. Сейчас некоторые сотовые провайдеры начали использовать их для отправки данных между стационарными точками, такими как две базовые станции. Но использование миллиметровых волн для соединения мобильных пользователей с соседней базовой станцией – это совершенно новый подход.
Однако, у миллиметровых волн есть один существенный недостаток – они не могут легко проходить сквозь здания или препятствия и могут быть поглощены даже листвой и дождем. Вот почему сети 5G, вероятно, потребуют дополнения традиционных вышек сотовой связи ещё одной новой технологией, называемой малыми сотами.
Маленькая сота в сетях 5G
Малые соты – это переносные миниатюрные базовые станции, которые требуют минимальной мощности для того чтобы работать и могут быть размещены через каждые 250 метров и так по всему городу. Чтобы предотвратить падение уровня сигнала, провайдеры могут установить тысячи таких станций в городе, чтобы сформировать плотную сеть, которая действует как команда ретрансляторов, получая сигналы от других базовых станций и отправляя данные пользователям в любом месте.
Хотя традиционные сотовые сети также стали полагаться на всё большее число базовых станций, для достижения полной производительности 5G потребуется ещё более развитая инфраструктура. К счастью, антенны на маленьких сотах могут быть намного меньше, чем традиционные антенны, если они передают крошечные миллиметровые волны. Эта разница в размерах делает возможным их крепление к фонарным столбам и зданиям.
Это радикальное различие сетевой структуры должно обеспечить более целенаправленное и эффективное использование спектра. Наличие большего количества станций означает, что частоты, которые одна станция использует для соединения с устройствами в одной области, могут быть повторно использованы другой станцией в другой области для обслуживания другого клиента.
Однако, существует проблема – требование к большому числу небольших сот, необходимых для создания сети 5G, может затруднить развертывание сетей в сельских районах.
В дополнение к вещанию на миллиметровых волнах, базовые станции 5G также будут иметь гораздо больше антенн, чем базовые станции сегодняшних сотовых сетей, чтобы воспользоваться другой новой технологией: massive MIMO.
Массивный MIMO 5G
Сегодняшние базовые станции 4G имеют дюжину портов для антенн, которые обрабатывают весь сотовый трафик: восемь для передатчиков и четыре для приемников. Базовые станции 5G могут поддерживать около ста портов, что означает, что много антенн может поместиться на одном массиве. Эта возможность означает, что базовая станция может отправлять и получать сигналы от очень многих пользователей одновременно, увеличение пропускной способности сетей мобильной связи более чем в 22 раза.
Эта технология называется massive MIMO. Всё начинается с MIMO, который означает множественный вход и множественный выход. MIMO описывает беспроводные системы, которые используют два или более передатчиков и приемников для отправки и получения большего количества данных одновременно. Massive MIMO выводит эту концепцию на новый уровень, используя десятки антенн на одном массиве.
MIMO уже используется на некоторых базовых станциях 4G. Но до сих пор, massive MIMO был испытан только в лабораториях и немного полевых испытаниях. В этих испытания он установил новый рекорд для эффективности использования спектра, который является мерой того, сколько бит данных может быть передано определенному количеству пользователей за секунду.
Massive MIMO выглядит очень многообещающим для будущего 5G. Однако, установка большего количества антенн для обработки сотового трафика также вызывает много помех, если эти сигналы пересекаются. Вот почему станции 5G должны включать beamforming.
Формирование диаграммы направленности
Формирование луча – это система сигнализации базовых станций сотовой связи, которая определяет наиболее эффективный маршрут доставки данных конкретному пользователю и снижает помехи для соседних пользователей в этом процессе. В зависимости от ситуации и технологии, для сетей 5G есть несколько способов ее реализации.
Beamforming может помочь massive MIMO более эффективно использовать спектр. Основная задача для massive MIMO – уменьшить помехи, передавая больше информации от многих антенн одновременно. На массивных базовых станциях MIMO алгоритмы обработки сигналов прокладывают оптимальный маршрут передачи по воздуху каждому пользователю. Затем они могут отправлять отдельные пакеты данных во многих различных направлениях, отражая их от зданий и других объектов в точно согласованном порядке. Хореографируя движения пакетов и время прибытия, формирование луча позволяет многим пользователям и антеннам в массиве MIMO обмениваться гораздо большим количеством информации одновременно.
Для миллиметровых волн формирование луча используется для решения другого набора проблем: сотовые сигналы легко блокируются объектами и имеют тенденцию ослабевать на больших расстояниях. В этом случае формирование луча может помочь, фокусируя сигнал в концентрированном луче, который отправляется только в направлении пользователя, а не вещает во многих направлениях одновременно. Такой подход может повысить шансы получения сигнала в целости и уменьшить помехи для всех остальных.
Помимо повышения скорости передачи данных за счет широковещательной передачи на миллиметровых волнах и повышения эффективности использования спектра с помощью мощного MIMO, инженеры беспроводной связи также пытаются добиться высокой пропускной способности и низкой задержки, требуемых для 5G, с помощью технологии, называемой полным дуплексом, которая изменяет способ доставки и приема данных антеннами.
Полный дуплекс в 5G
Сегодняшние базовые станции и мобильные телефоны полагаются на приемопередатчики, которые должны по очереди передавать и получать информацию на одной и той же частоте или работать на разных частотах, если пользователь хочет передавать и получать информацию одновременно.
С приходом 5G приемопередатчик сможет одновременно передавать и принимать данные на одной частоте. Эта технология известна как полный дуплекс, и она может удвоить емкость беспроводных сетей на самом фундаментальном физическом уровне: представьте, что два человека разговаривают одновременно, но всё еще могут понимать друг друга, это означает, что их разговор может занять вдвое меньше времени, и их следующее обсуждение может начаться раньше.
Некоторые военные уже используют технологию полного дуплекса, которая опирается на громоздкое оборудование. Для достижения полного дуплекса в личных устройств исследователи должны разработать схему, которая может маршрутизировать входящие и исходящие сигналы, чтобы они «не сталкивались» во время передачи и приема данных.
Это особенно трудно из-за тенденции радиоволн распространяться как вперед, так и назад на одной частоте – принцип, известный как взаимность. Но, недавно эксперты собрали кремниевые транзисторы, которые действуют как высокоскоростные переключатели, чтобы остановить обратное движение этих волн, позволяя им одновременно передавать и принимать сигналы на одной и той же частоте.
Недостатком полнодуплексного режима является то, что он также создает больше помех для сигнала через неприятное эхо. Когда передатчик излучает сигнал, этот сигнал гораздо ближе к антенне устройства и, следовательно, более мощный, чем любой сигнал, который он получает. Ожидать, что антенна будет одновременно говорить и слушать, возможно только с помощью специальной технологии эхоподавления.
С помощью этих и других технологий 5G, инженеры надеются построить беспроводную сеть, которая удовлетворит потребности новых смартфонов, VR-геймеров и автономных автомобилей. Уже сейчас исследователи и компании возлагают большие надежды на 5G, обещая сверхнизкие задержки и рекордные скорости передачи данных для потребителей. Если они смогут решить остающиеся проблемы и выяснить, как заставить все эти системы работать вместе, сверхбыстрое 5G достигнет потребителей уже в ближайшие годы.
