Операторы и производители оборудования уверенно движутся в сторону 5G, все увеличивая и увеличивая скорость. Год назад это был 1 Гбит/сек, в прошлом сентябре Megafon и Nokia демонстрировали прототипы БС и устройств 5G с максимальной скоростью 5 Гбит/сек, а 1 июня этого года в рамках Петербургского экономического форума Megafon вместе с Huawei добились максимальной скорости в 35 Гбит/сек, поставив рекорд скорости мобильного интернета. Уже в день этого события новостные агентства тиражировали фото с мероприятия и шумели о достигнутой скорости. А сегодня мы раскрываем интересные технические подробности рекорда.

Приближаемся к стандарту 5G — агрегация и рефарминг

Внедрение следующего поколения мобильной связи ожидается в 2020 году (это полностью согласуется с оценкой «новая технология мобильной связи каждые 10 лет»).  По мере приближения к «часу Х» стандарт 5G приобретает все более явные очертания. Одновременно операторы и производители оборудования экспериментируют с частотами и каналами связи, определяя направление дальнейшего движения. Насколько успешны эти эксперименты, показывают скорости передачи данных, демонстрируемые в рамках очередных испытаний.

Около года назад «МегаФон» вместе с Huawei демонстрировали скорость передачи данных в 1 Гбит/сек. Такой результат удалось получить за счет передачи данных на нескольких частотах одновременно (использования трех несущих), что, в свою очередь, стало возможно, благодаря рефармингу — использованию частот, которые изначально предназначались для другой технологии.

Рефарминг — неизбежное явление в ходе эволюции стандартов связи, поскольку частотный диапазон уже давно расписан между потребителями. С технической точки зрения рефарминг позволяет оптимизировать использование спектра: с развитием технологий появляется возможность «впихнуть» в одну и ту же полосу частот гораздо больше данных (достаточно сравнить GSM, 2G и последующие стандарты). В некоторых странах рефарминг может упираться в законодательные ограничения, поскольку при выделении частот фиксируется не только ее основной пользователь, но и стандарт связи, который будет на этой частоте использоваться. В России же для ряда диапазонов, переданных под мобильную связь, уже принят принцип технологической нейтральности, означающий, что в диапазоне можно использовать любое поколение стандарта связи.

В рамках упомянутого эксперимента Megafon и Huawei была задействована частота в 1800 МГц, которая ранее использовалась для сетей GSM.

Новый эксперимент — бимформинг

Однако эксперименты продолжаются. Решение, продемонстрированное в этом году на Петербургском экономическом форуме, вместо агрегации частот из разных диапазонов использует для связи прототипа базовой станции и абонентского терминала одну, но очень широкую полосу частот — 2 ГГц — в диапазоне 70 ГГц (это одна из возможных частот будущего стандарта 5G). В ходе тестирования удалось достичь скорости передачи данных в 35 Гб/сек, что является абсолютным рекордом для мобильной передачи данных.


Хотя на данном этапе речь шла о тестировании беспроводной связи между стационарным прототипом базовой станцией и условно-стационарным прототипом абонентского устройства (оно было установлено на стенде Мегафона и никуда не перемешалось), в процессе разработки приходится учитывать мобильность абонентов. Для этого в пятом поколении предусмотрен бимформинг — динамическое изменение диаграммы направленности фазированной антенной решетки в направлении наибольшего скопления абонентских терминалов. Мегафон в двух словах рассказал об особенностях этой технологии.

Если не вдаваться в технические детали, бимформинг требует создания сложной антенны, но позволяет отчасти исправить ситуацию «в толпе не работает связь» — базовая станция просто перестроит диаграмму направленности, чтобы лучше покрыть то направление, в котором находится больше устройств.

В эксперименте Мегафона толпы с абонентскими устройствами не было, был просто один излучатель и сложной формы антенна, которая формирует несколько пучков — два параллельных и один под углом. Да, сиреневая пластина с логотипом компании на полу — не часть дизайна, это отражатель для радиоволн:


Ничего сверхъестественного в ней, это просто пластина из стали:


Передача велась в режиме TDD — двусторонней связи с временным разделением сигналов приемника и передатчика.

В двух словах о QAM

Как упоминалось выше, новые стандарты позволяют при прочих равных передавать больше информации. Возможно это в том числе благодаря развитию вычислительных мощностей мобильных устройств, что позволяет использовать более хитрую модуляцию. В эксперименте Мегафона и Huawei использовалась квадратурная модуляция 64-QAM.

Упрощенно QAM — это способ передать за один «такт» несколько байт данных. Достигается это, во-первых, за счет того, что меняется не только уровень сигнала, но еще и его фаза. А во-вторых, амплитуда и фаза сигнала имеют несколько уровней. Проще всего это можно показать на вот такой гифке:


Мы видим 16 состояний, полученных комбинацией разных сдвигов фаз и амплитуд сигнала. В них можно уложить все возможные комбинации 4 бит, поэтому за одно состояние сигнала мы можем передать сразу 4 бита.

Картинка иллюстрирует 16-QAM, но в 64-QAM все тоже самое, просто возможных состояний больше — 64, а значит, мы можем передать уже не 4, а 6 бит.

Ложка дегтя

Стоит отметить, что высокая частота несущей, хоть и позволяет передавать большой объем данных, очень легко заглушается любыми предметами на пути.


Достаточно поднести руку к излучателю и скорость на графике тут же падает. Одновременно мы видим, как начинает рассыпаться сигнальное созвездие — аналог глазковых диаграмм для 64-QAM (ну, строго говоря, не только для нее):


Сигнальное созвездие позволяет видеть «качество» передачи и одновременно замечать некоторые проблемы (подробнее можно посмотреть вот тут)

Когда 5G попробуют абоненты?

Тестовые зоны 5G «МегаФон» намерен развернуть уже в следующем году во время чемпионата мира по футболу. По сложившейся традиции новые стандарты мобильной связи тестируются во время крупных международных мероприятий.