Технология 5G этим летом прошла ключевое испытание в месте, где никто из местных жителей не ожидал ее обнаружить. В августе группа студентов из Нью-Йоркского университета (NYU) загрузила в фургон радиоаппаратуру и отправилась в десятичасовое путешествие на окраину города Ринера на юго-западе Вирджинии. Оказавшись там, молодые исследователи установили передатчик на крыльце небольшого горного домика своего профессора, Теда Раппапорта, и направили его в сторону леса.
Затем студенты провели два долгих дня, рассекая на своем фургоне по пригородным дорогам туда обратно, чтобы найти 36 мест в окрестных холмах, подходящих для испытаний. Общественная стоянка – идеальный полигон для испытаний, но их сложно встретить на пути по проселочным дорогам. В каждом таком месте они поставили приемник, который искал в горном воздухе следы миллиметровых волн, которые исходили от оборудования, расположенного на крыльце. Ниже представлена схема расстановки приемников на местности.
В ходе эксперимента группа выяснила, что волны могут «путешествовать» более чем на 10 километров в сельской местности, даже если холмы или кроны деревьев блокировали прямой путь к приемнику. Команда обнаружила волны от передатчика на расстояниях до 10,8 километров в 14 точках, которые были в прямой видимости, и в 10,6 километрах в 17 точках, где сигнал отражался от холмов или лиственных рощ. Все это было достигнуто при радиовещании на частоте 73ГГц с минимальной мощностью – менее 1Вт.
Схемы работы передающего и принимающего сигнал оборудования
«Я был удивлен, что мы превысили 10 километров с несколькими десятками милливатт – говорит Раппапорт. – Я предполагал, что мы сможем выйти из зоны прямой видимости на несколько километров, но мы смогли выйти за пределы десяти».
Полоса частот 73ГГц намного выше, чем традиционные частоты, которые используются в сотовой связи. В июне комиссия по связи в США открыла спектр 11ГГц в диапазоне миллиметровых волн (который охватывает от 30 до 300ГГц) поставщикам услуг, которые занимаются разработкой технологии 5G.
Раппапорт уверен, что их результаты демонстрируют потенциальную возможность использования миллиметровых волн как в сельских микросотах, так и на больших базовых станциях. До сих пор волны такой длины использовались для широкополосного доступа в интернет через фиксированную связь, в которой информация перемещается между двумя стационарными точками. Теперь технологию 5G можно успешно использовать и для сотовой связи.
Роберт Хит, эксперт по беспроводным технологиям в Техасском университете Остине отмечает, что работа группы NYU внесла свой вклад в развитие 5G. «Я думаю, это ценно, поскольку многие люди не думали о расширенных диапазонах 5G в сельской местности. Им кажется, что диапазон ограничен высокими частотами».
Расположение передающей сигнал антенны относительно окружающей среды
В прошлом году группа Раппапорта продемонстрировала, что приемник, размещенный на улице, может успешно поймать сигнал 5G, транслируемый на 28ГГц и 73ГГц, на расстоянии 200 метров, используя менее 1Вт мощности передатчика, даже если путь к нему перекрывают высокие здания. Работа ученых показала, что отражение сигналов от фасадов зданий все-таки позволяет обеспечить последовательное покрытие сети по крайней мере снаружи, на улице. Будет ли результат последнего исследования значить то же самое и для пригородных районов, еще не известно. Глава исследовательской группы уверен, что их работа поможет коммерциализировать технологию, в том числе заменить оптоволоконное соединение и транспортные сети связи.
«Общественность ошибалась, думая, что миллиметровые волны не могут пройти большие расстояния в ясную погоду в свободном пространстве. На самом деле, они могут распространяться так же далеко, как и нынешние более низкие частоты, если антенны будут одного размера. Я думаю, что эта технология жизнеспособна для мобильной связи» – отмечает Раппапорт.
Группа ученых наблюдала за поведением миллиметровых волн за городом для того, чтобы оценить стандарт распространения, который консорциум 3GPP выдвинул для моделирования волн в сельских районах. В 14 версии стандартов сила сигнала, испускаемого базовой станцией за городом измеряется в соответствии с такими факторами, как высота вышки, рост среднего пользователя, высоты зданий, ширина улицы, а также частота, которая используется для передачи сигнала.
Исследователи из Нью-Йоркского университета считают, что стандарт был принят несколько поспешно и основывается на использовании более низких частот, которые плохо подходят для того, чтобы точно предсказать поведение волн на высоких частотах. Поэтому, по мнению команды, стандарт преувеличивает потери на больших расстояниях.
Другие ученые скептически относятся к достижению команды Нью-Йоркского университета. Профессор Габриэль Ребайц, который проводит исследования беспроводных технологий в Калифорнийском университете, указывает на то, что испытания проводились в два безоблачных дня. Дождь может привести к ухудшению 73ГГц-сигналов на уровне 20 децибел за километр, что эквивалентно снижению интенсивности сигнала в 100 раз на каждый километр пути. Он считает, что в конечном счете 5G принесет больше пользы в городах, но сомневается в целесообразности для сельских сетей сотовой связи.
Джордж МакКартни мл., аспирант факультета беспроводной инженерии в Нью-Йоркском университете считает, что стандарт 5G будет актуален для сельской местности лет через пять или десять после того, как он окончательно «созреет». Чтобы эта технология прочно вошла в нашу жизнь, антенны должны передавать сигнал с высокой точностью, чтобы точно убедиться, что сигнал доходит до конкретного пользователя. Это важно, потому что волны могут отражаться от объектов и распространяться разными путями от передатчика к приемнику. Что касается успешного использования миллиметровых волн за пределами городской среды в ближайшие несколько лет, Джордж говорит следующее: «Я немного скептически настроен просто потому, что для этого понадобится много маленьких элементов антенны и придется задавать направление сигнала и управлять им».
Научная работа опубликована на arXiv.org (ArXiv:1608.05384v2 [cs.CV])
Комментарии (33)
5ellliyLeshiy
09.11.2016 16:20Хех, буквально вчера читал про советского ученого-генетика Рапопорта Иосифа Абрамовича, вот же совпадение
pacific182
09.11.2016 16:21+1Я правильно понял, что эксперимент заключался в подключении к рупору генератора на 73 ГГц и последующим поиском этих 73 ГГц анализатором(судя по схемам) на расстоянии 10 км?
Если да, то как-то сомнительно выводы для узкополосного сигнала распространять на 5G (широкие полосы и модуляция), когда в эксперименте 5G и не пахнет.
vadimpl
09.11.2016 17:55Не понял, как из факта направленного сигнала следует, что сигнала узкополосный?
Какая разница, что было источником, генератор или реальная БС? Мерили-то уровень сигнала.
Другое дело, что лично меня удивило — а до этого эксперимента реальное распространение 73 ГГц науке было неизвестно, что ли? Группа студентов сделала первые в мире полевые эксперименты для этих волн?
xirahai
09.11.2016 22:48Радиолюбители давно уже пригладываются к миллиметровым диапазонам. Об их стабильных достижениях и экспериментах на диапазонах от 2.3 до 120 ГГц можно почитать по этой ссылке.
ptica_filin
09.11.2016 23:16+1На самом деле разница очень большая. Для реальной передачи данных гораздо важнее знать уровень битовых ошибок, а не уровень сигнала на анализаторе спектра.
vadimpl
10.11.2016 08:58Так понимаю, что уровень битовых ошибок зависит от применяемого метода (=протокола) передачи данных. И для этого метода должно существовать чёткое соответствие децибелам. Вот и получаем, что для достаточного понимания работы вполне приемлема использованная студентами методика.
ptica_filin
10.11.2016 14:46И от протокола, и от соотношения сигнал/шум. Чем выше скорость передачи данных, тем сложнее модуляция и кодирование. И тем выше должно быть отношение сигнала к шуму, чтобы обеспечить передачу данных на высоких скоростях.
А тут поймали одну несущую на расстоянии 10 км. Это не говорит ничего о том, с какой скоростью можно будет передать данные на это расстояние. Гигабит, мегабит, килобит? Или вообще будет работать только морзянка? :)
Модема на структурной схеме нет, так что ребята просто провели опыт по распространению радиоволн в довольно тепличных условиях. Затухание сигнала можно было посмотреть и в справочниках.
pacific182
10.11.2016 10:14То что сигнал узкополосный — написано в статье. По направленным антеннам — лукавство с целью получить тот результат, который позволит сделать желаемые выводы. В реальности пользователь, как правило, не будет иметь антенн с усилением 27 дБ и наводиться на БС. Это если касаться уровня сигнала.
Что касается сигнала, который использовали — для непрерывного сигнала с одной единственной частотой в спектре действительно важен только уровень сигнала, который ничего не говорит о возможности передачи широкополосных сигналов связи и качестве этой связи. Для реальной связи важно знать, что творится в канале, ибо множественные переотражения приводят с искажению спектра сигнала в полосе.
А эта группа заявила, что претендует на создание новой модели распространения сигнала, а люди из консорциума 3GPP дураки и хлеб свой зря кушают, дальность связи на порядки занижают.
Простыню накатали, деньги на исследования освоили, а результат — пшик, но с претензией. 5G штука интересная, но обманывать трудящихся такими «исследованиями» нехорошо.
alexhott
09.11.2016 20:10+2капец, я вот помню приемники на которых шкала в километрах была (что-то типа 600-1400м)
про гигагерцы тогда даже речи не шло.
В удивительное время живем
QDeathNick
10.11.2016 12:12Я помню приемники когда шкала вообще в городах была. :)
Alexeyslav
10.11.2016 16:37Километры это не расстояния между передатчиками а длина волны. ДВ — оно да, в километрах измерялось.
А города обозначены потому что тогда каждому городу была выделена своя частота, чтобы не перекрывались ибо ДВ распространяются по всей планете безпрепятственно, и какая-то станция на другом континенте запросто могла мешать местной, верней приём дальней станции стал бы невозможен из-за помехи местной. Потом пошли диапазона КВ и УКВ которые имели лишь редкие и очень случайные дальние прохождения и смысла выделять городам свои частоты уже нет — частоты распределялись уже локально в пределах региона, области и даже города.
KivApple
09.11.2016 22:45+1ИМХО, проникающая способность важна не меньше дальности. Всё же основная масса населения живёт в городах, а там не проблема понатыкать базовых станций на каждом шагу. А вот стабильная работа сети в глубине зданий и в подвальных помещениях — проблема.
malishich
10.11.2016 10:28Где нибудь можно раздобыть принципиальные электрические схемы простейших приёмника и передатчика на диапазон 73ГГц? Что бы своими руками попробовать.
Alexeyslav
10.11.2016 11:16Да запросто — диоды ганна, так называемые генераторные. Схема элементарная — подаёшь на него ток и из-за наличия на ВАХ участка с отрицательным сопротивлением он начинает генерировать колебания. Т.е. схема простая — резистор, диод и источник напряжения. Вот с приёмом тяжелее, но тоже не космической сложности — можно использовать конверторы от спутниковых приёмников, они впрочем тоже на таком принципе работают — в качестве гетеродина диод ганна, смеситель на СВЧ-диодах и пошло поехало.
Впрочем, можно еще подсмотреть в схемах «антирадаров» — многие из них тоже работают в этих диапазонах.
MechanisM
10.11.2016 12:25Для меня кажется таким необычным что америкосы делали замеры в метрической системе а не в имперской.
Это обосновано чем-то? Или это такой перевод?
Zul_Kifl
10.11.2016 12:41А почему? Как раз наоборот — если бы ученые в исследованиях использовали что-то кроме системы СИ, это был бы угар и сумасшествие, независимо от страны. Я, по правде сказать, не знаю точно, что там в Америке, пусть меня поправят, но уверен, что имперская система осталась только в быту.
MechanisM
10.11.2016 14:44Ну как-же)) Машины у них заправляются галлонами бензина, ездят со спидометрами в милях и рост измеряют в футах и вес в фунтах… температура в фаренгейтах итд…
Zul_Kifl
10.11.2016 15:06Ну я же и говорю — в быту. Все, что вы перечислили — быт. А вот увидеть фаренгейты и футы в научной работе — надо постараться.
booger_man
10.11.2016 20:03Насколько припоминаю частоты выше 9ГГц уже метео зависимы и используются конкретно в метео радарах из-за примерно равного размера метеоров собственно 3*^8/73000*^6=4,1мм. Дождь, туман и прощай сигнал. А что касается преодоления проблем с переотражением на такой частоте представить сложно. Можно конечно посылать импульсы на этих частотах но с таким разнесением чтобы нынешние процедуры защиты от переотражения работали, но тогда смысл от таких высоких частот?
Поправьте меня если неправ выше, но я уверен, что рабочих прототипов мобильных устройств ждать еще очень долго.
Vnuchok
теперь кто с 4G, автоматически стали нищебродами?)))
solariserj
Ну кому как, я ещё даже на 4G не перешел… плюсов у 4G для меня почти нет. из минусов не полное покрытие (только в пределах города) поэтому все равно автоматом переключится на 3G, высокая cкорость (чесно хватает и 3G главное чтоб было покрытие), батарею вроде как сильнее жрет… поэтому надо смотреть что предложит 5G
KivApple
Не понимаю как "неполное покрытие" и "высокая скорость" может быть минусом. В первом случае автоматически переключится на 3G и смартфон продолжит работать не хуже, чем если бы у него не было 4G. Во втором случае это звучит "у X параметр Y лучше, чем Z => X хуже, чем Z", что звучит абсурдно и не может рассматриваться как аргумент.
Так что по факту остаётся только "батарею сильнее жрёт", что действительно так (знаю по опыту друга, я сам смартфон пока не обновил), разве что отключать его когда не нужен (но это явно полумеры). Даже с ценой особых проблем нет — сейчас 4G есть даже на многих новых бюджетниках, а не только флагманах.
edogs
Отключили у себя на смартфоне 4g, оставили 3g.
Проблема с входящими — когда телефон в 4g режиме, то звонки или не доходят или звонящий слушает штук 10 гудков пока наконец зазвонит телефон.
В интернетах общая мысль сводится к проблемам у операторов ( CSFB кривой ), но какая на фиг разница если об этой проблеме можно прочесть у всех из основной тройки в россии?
Для модема наверное кул, и скорость есть куда истратить и на звонки плевать, а для смарта на фиг пока.
ksenobayt
Пользуюсь Йотой как основным опсосом последние полтора года.
Подобных проблем не замечал.
oops1
4G — это отображение LTE на телефоне?
Если так то с моим оператором никаких проблем в этом режиме нет, более того качество связи КМК в этом режиме значительно лучше.
Насчет батареи спорное утверждение, опять же не заметил какого то влияния типа связи на скорость посадки батареи. приложения значительно активно садят батарею
Ra-Jah
Переключился на 4G, увеличение расхода батареи не заметил, наоборот, соединение стало стабильнее (мне кажется это даже должно уменьшить расход заряда). Но коллеги говорят расход увеличился.
MasMaX
У меня телефон всегда в 2G режиме, так меньше кушает, а для разговоров хватает. Когда нужен инет то меняю режим.