Технологии связи 5G сулят мгновенную загрузку видеоконтента на мобильные устройства, онлайн-игры с минимальными задержками, видеосвязь без помех и квадратиков и много других восхитительных вещей. В их числе «умные» фабрики, автомобили и поезда с интеллектуальным автопилотом, а также бесчисленное множество устройств IoT, улучшающих жизнь человека в каждом уголке планеты. Одно из связанных с 5G направлений, в котором трудятся инженеры Toshiba, — сверхскоростные беспроводные технологии. Их внедрение в перспективе избавит от необходимости прокладки оптоволоконного кабеля между базовыми станциями сетей пятого поколения. В этом посте мы расскажем о том, как нам удалось реализовать беспроводное соединение на скорости 20 Гбит/с.

Как всё устроено сейчас?

Система связи пятого поколения состоит из абонентских устройств, которые подключаются к базовым станциям, используя беспроводные технологии (линк уровня доступа), базовых станций, которые передают сигнал от абонентского устройства в ядро сети (транзитный линк), и собственно ядра сети, в котором выполняется обработка сигналов и маршрутизация потоков данных от абонента к абоненту и от абонента в интернет.

Стандартная схема работы сотовой сети. Источник (здесь и далее): Toshiba

Ядро сети получает данные и обеспечивает управление безопасностью. Нарушение линка между базовой станцией и ядром сети приведёт к разрыву связи, поэтому транзитное соединение должно быть очень надёжным и поддерживать высокую скорость, чтобы не возникало задержек.

В 2016 году, когда компания Toshiba впервые приступила к работе над повышением скорости 5G, большинство исследований в этой области были сосредоточены на повышении скорости канала доступа. Однако сверхвысокая скорость 5G требует одновременного повышения пропускной способности и канала доступа, и транзитного канала.

Что предлагается?

Традиционно реализация транзитных соединений осуществлялось с помощью оптоволокна. По сравнению с другими странами в Японии имеется много сетей оптоволоконной связи, но их прокладка в горных районах затруднена и обходится очень дорого, а чтобы обеспечить связь 5G в горах, пришлось бы устанавливать новые базовые станции в таких районах, что ещё больше увеличилось бы расходы. Поэтому инженеры Toshiba сосредоточились на том, чтобы заменить оптоволоконные транзитные линки на беспроводные.

Сеть с использованием беспроводных транзитных линков

Вопрос был в том, как достичь сверхвысокой скорости, которая требовалась для сетей 5G. Самый распространённый из всех методов — повышение скорости за счёт расширения полосы пропускания. Частот для 3G и 4G для этого уже недостаточно. Нужно было переходить на более высокие частоты — к миллиметровым волнам.

Сложности перехода на миллиметр

Миллиметровые волны с частотой от 28 ГГц никогда раньше не использовалась для мобильной связи. Главная проблема, с которой столкнулись разработчики, заключается в том, что миллиметровые волны могут распространяться только на короткое расстояние. Первые попытки их использования были борьбой за то, чтобы они добивали хотя бы на километр. Построение сети, в которой множество базовых станций расположены близко друг к другу, потребует огромных затрат на инфраструктуру, а это обнулит экономию от замены оптоволоконных линков на беспроводные.

Чтобы повысить качество связи и скорость передачи данных, команда Toshiba решила использовать технологию Multiple Input Multiple Output (MIMO). В MIMO используется несколько антенн у передатчика и приёмника, что позволяет увеличить скорость, передавая одновременно нескольких сигналов. Радиоволны отражаются от зданий и других физических препятствий и достигают принимающих антенн под разными углами. Технология MIMO обеспечивает быструю и стабильную связь в таких условиях, используя отражения радиоволн для повышения производительности.

Однако в условиях горного рельефа антенны планировалось устанавливать на самых высоких точках, а это означало практически полное отсутствие физических препятствий для отражения радиоволн. Второй сложностью стала необходимость фокусировки миллиметровых волн в узкий пучок для увеличения расстояния устойчивой связи. Это ещё больше уменьшало отражение.

С учётом описанных ограничений воспользоваться преимуществами MIMO для увеличения скорости и пропускной способности оказалось не так просто. Для решения проблемы инженеры Toshiba решили воспользоваться технологией поляризованного MIMO (Polarized MIMO), которая стабилизирует и ускоряет передачу сигнала за счёт разделения радиоволн на волны с вертикальной и горизонтальной поляризацией.


Использование поляризованного MIMO для транзитного линка

Разделение сигнала на две волны позволяет установить два независимых соединения и обеспечивает стабильный линк с удвоенной скоростью. Toshiba не была первой компанией, попытавшейся применить Polarized MIMO для организации канала связи, однако все исследователи сообщали, что им не удалось обеспечить достаточно высокую скорость передачи на расстояниях более одного километра: очередной проблемой стало уже не затухание сигнала, а большое количество помех.

При передаче сигналов со стандартной для 5G скоростью 20 Гбит/c объём передаваемой информации значительно больше, чем в сетях предыдущего поколения. Отправка больших объёмов данных приводит к тому, что даже малейшие помехи создают проблему, особенно в условиях широкой полосы пропускания в миллиметровом диапазоне. Требовалась коррекция широкополосных искажений при использовании Polarized MIMO. Технологии коррекции широкополосных искажений впервые были применены в цифровом телевещании, которым Toshiba занимается более 20 лет в рамках исследований и разработок в области цифрового вещания и беспроводных локальных сетей.

Сочетание Polarized MIMO и методов коррекции широкополосных искажений стало прорывом: испытания показали, что технология организации беспроводных транзитных линков практически готова к использованию в 5G-среде — по крайней мере, в лабораторных условиях всё работало идеально. Оставалось провести полевые испытания на открытой местности, но с этим тоже возникли сложности: для передачи волн миллиметрового диапазона по законодательству Японии требовалось получить разрешение, а получить его крайне сложно. В связи с этим полевые испытания было решено провести в Великобритании, в лаборатории Bristol Research & Innovation, находящейся в ведении Toshiba Europe.

Полевые испытания

Для испытания разработки передатчик установили на крыше Бристольского университета, а приёмник — на здании, находящемся на расстоянии 900 метров. Чтобы смоделировать фактическое расстояние в пять километров, на стороне приёмника был установлен аттенюатор.

Расположение передатчика и приёмника на местности

Перед экспериментами нужно было обеспечить чёткую фокусировку передатчика и приёмника. Делать это приходилось на глаз, и это было непросто, поскольку даже прожекторы трудно сфокусировать, а радиоволны к тому же ещё и невидимы. Кроме того, каждый день утром приходилось устанавливать и заново настраивать оборудование, а вечером убирать его с крыши.

Фото с места полевых испытаний сверхскоростей для 5G

За три дня до планового окончания пребывания в Великобритании исследователи наконец достигли стабильной скорости в 20 Гбит/с.

Чего ждать в будущем

После презентации технологии на научной конференции в декабре 2019 года команда Toshiba продолжила работать над тем, чтобы сделать экспериментальные разработки пригодными для промышленной эксплуатации. Это требует учёта множества факторов, например, влияния ветра и дождя, температуры и влажности воздуха.

Эволюция мобильных беспроводных технологий неуклонно движется вперёд. Инженеры уже смотрят за пределы 5G и обсуждают переход на 6G в 2030-х годах. Предполагается, что в эпоху 6G охват мобильной связью достигнет космического пространства. Toshiba вместе с другими участниками этого процесса будет создавать для людей всего мира технологии, обеспечивающие стабильную и высокоскоростную связь на больших расстояниях, где бы вы ни находились.