Блог COMSOL

Содействие развитию мобильных сетей 5G

18/05/2016

by Brianne Christopher

Представьте себе идеальную беспроводную сеть. Данные загружаются со сверхбыстрой скоростью. В любой точке планеты со своего устройства можно подключиться к сети и рассчитывать на хороший сигнал и безупречную работу. Идеальная беспроводная сеть была бы надёжной — никаких сброшенных вызовов, ошибок при отправке сообщений и ожиданий загрузки веб-страниц. Существует ряд определённых радиочастотных проектов, разработка которых позволила бы ускорить развитие данной технологии и воплотить её в реальность.

Идеальные беспроводные сети: 5G и выше

Ожидается, что 5G-сети будут широко использоваться к 2020 году, обогнав сети 4G LTE, 4G, 3G и более ранние. Предполагается, что новые беспроводные сети будут появляться каждые 10 лет. Таким образом, в ближайшие 4 года необходимо продолжать разработку технологии, чтобы вскоре сети 5G стали доступны для потребителей. Беспроводные сети постоянно улучшаются и совершенствуются относительно предыдущего поколения.

Скорее всего у вас есть смартфон, которым вы пользуетесь в течение дня. Согласно последним данным исследовательского центра Pew Research Center, 64% американцев владеют смартфоном и две трети из них используют свой гаджет для выхода в интернет. На самом деле, молодые пользователи используют смартфоны в основном для обмена сообщениями и доступа к интернету, а не для телефонных звонков. В опросе, опубликованном в апреле 2015 года, 97% молодых людей в возрасте от 18 до 29 лет сказали, что используют свои телефоны для выхода в интернет, в то время как только 93% — для звонков. Эти результаты показывают основное направление в использовании мобильных телефонов — передача больших данных, обмен сообщениями, использование видеозвонков.

Лидеры индустрии мобильной связи уже составили перечень требований к 5G-сетям нового поколения. Как упоминалось выше, для загрузки и передачи больших объёмов информации требуется очень быстрая беспроводная сеть. Если вы думаете, что ваша текущая скорость загрузки и так очень быстрая, то представьте, что при использовании 5G-сетей она будет почти мгновенной. Из-за постоянного роста данных, сети 5G должны также минимизировать трафик для регулирования нагрузки на сеть. Идеальная беспроводная сеть должна обеспечивать качественный приём сигнала в любой точке планеты. Это значит, что у вас всегда будет отличный сигнал связи, вне зависимости от того, где вы находитесь, будь то сельская местность, пустыня или другой удалённый район (в отличие от нынешних сетей 4G и 4G LTE, которые обеспечивают высокие скорости только в крупных городах и их окресностях).

Совместимые с 5G-сетями устройства должны быть дешёвыми и потреблять меньше энергии, чтобы обеспечить более длительный срок службы батареи. Способ зарядки телефонов также может измениться. Некоторые современные телефоны уже имеют функцию беспроводной зарядки. В зарядное устройство и сам телефон встроена катушка индуктивности, посредством которой и происходит заряд аккумулятора. Также исследуются и более продвинутые способы и, в частности, беспроводная передача энергии на большие расстояния. В этом случае, зарядное устройство передаёт слабые сигналы на определённом расстоянии. В скором времени вы сможете заряжать телефон, пока он лежит у вас в кармане. Такие возможности могут быть интегрированы при внедрении сетей 5G.

Фотография беспроводного зарядного устройства для мобильных гаджетов.
Беспроводная зарядная станция, передающая энергию к мобильным устройствам.

5G-сети должны упростить связь между устройствами, подключенными к Интернету вещей (Internet of Things — IoT). По прогнозам, уже к 2020 году в мире будет порядка 25 млрд устройств, использующих 5G-сети. Последние должны быть в состоянии обрабатывать огромный трафик данных от подключённых к сети устройств и огромного количества пользователей телефонов по всему миру. Для практического использования новые сети должны обладать высокой скоростью, чтобы быстро анализировать данные, собранные с устройств, подключённых к IoT.

Факторы, которые необходимо учитывать проектировщикам сетей 5G

Когда инженер приступает к разработке и проектированию новых 5G-сетей, перед ним стоит множество задач, условий и ограничений. Возможности модуля Радиочастоты программного обеспечения COMSOL Multiphysics® позволяют облегчить эти задачи и оптимизировать проектирование.

Расширение диапазона частот сети

В настоящее время беспроводные сети не позволяют загружать большие объёмы данных на оптимальной скорости. Для достижения требуемой скорости загрузки и передачи данных, новые беспроводные сети должны работать в более широком диапазоне частот. Сейчас беспроводные сети работают в диапазоне частот от 1 ГГц до 3 ГГц. Сети 5G должны работать на гораздо более высоких частотах. Для оптимальной работы верхняя граница диапазона частот новых сетей должна достигать вплоть до 100 ГГц.

Для 5G-сетей частота около 30 ГГц может послужить центральной, т.е. в её окрестности и будет функционировать беспроводная сеть. Работа новых сетей на частотах до 100 ГГц необходима для обеспечения дополнительной пропускной способности системы и увеличения полосы пропускания в более плотных зонах. Если вы когда-нибудь пытались выйти в интернет со своего устройства во время музыкального концерта или спортивного мероприятия, где тысячи других людей пытаются сделать тоже самое, тогда вы понимаете важность данных требований. Расширение диапазона частот может помочь при стихийных бедствиях, когда тысячи людей звонят родственникам, а также может дать толчок к развитию мобильной связи в отдалённых труднодоступных уголках планеты.

Антенный разделитель (диплексер) — один из многих компонентов, которые будут использоваться в 5G-сетях нового поколения и позволят решить данные проблемы. Это устройство разделяет сигнал на два частотных субдиапазона, которые необходимы для широкого рабочего диапазона мобильной сети. Внутри диплексера на более низкой частоте принимается, а на более высокой — передаётся сигнал. Моделирование — простой и эффективный способ для проверки конструкции и поиска оптимальных параметров диплексера. Рассчитывая S-параметры (параметры рассеяния) и распределение электрического поля волноводного разделителя с помощью моделирования, можно проверить, насколько хорошо спроектировано устройство.

На рисунке изображены результаты расчета волноводного разделителя на частоте 28 ГГц.
На рисунке изображены результаты расчета волноводного разделителя на частоте 30.4 ГГц.

На рисунке изображён рассчитанный волноводный разделитель.

Учебная модель WR-28 waveguide diplexer model (Волноводный разделитель WR-28), изображённая на рисунке выше, используется для работы в Ка-диапазоне частот, нижняя и верхняя границы полосы пропускания которого в данном случае составляют 28 ГГц (слева) и 30.4 ГГц (справа) соответственно. Моделирование показывает, что входная мощность каждой полосы пропускания распределяется отдельно, независимо от другой.

Разработка антенн для более высоких частот

Другой способ развития 5G-сетей заключается в увеличении коэффициента усиления антенн мобильных устройств. Такой метод вместо усиления увеличивает расстояние, на которое можно передавать сигнал от телефона. Если вы возьмёте в руки старый телефон, то увидите в нём антенну, которую надо было выдвинуть для звонка. В данном случае антенна являлась четвертьволновым монополем. Такие антенны имеют одинаковое усиление во всех азимутальных направлениях. Это значит, что электромагнитные волны распространяются изотропно в Н-плоскости, так что сигнал распространяется одинаково во всех направлениях и надёжно достигает вышек сотовой связи независимо от местоположения пользователя.

Диаграмма направленности излучения плоской инвертированной антенны F-типа (PIFA).
Трёхмерная диаграмма направленности излучения плоской инвертированной антенны F-типа (PIFA) в мобильном устройстве.

Поскольку телефоны продолжали развиваться как по функционалу, так и с точки зрения дизайна, антенна была максимально уменьшена и встроена в корпус, что, в свою очередь, исказило диаграмму направленности. С развитием 3G, 4G и 4G LTE мобильная связь прогрессировала и в мобильные телефоны начали встраивать миниатюрные многополосные антенны вместо четвертьволнового монополя.

Одной из проблем стал неравномерный приём и непринятые вызовы при использовании телефона в различной местности и условиях. В некоторых случаях разница в приёме могла быть даже в пределах одной комнаты. Наш коллега Jiyoun Munn, глава разработки модуля Радиочастоты (RF), пояснил, почему так происходит: «Когда вы разговариваете по телефону, вы обычно не знаете, где конкретно располагается ближайшая вышка сотовой связи по отношению к вашему телефону. Интерференционное замирание сигнала в следствие переотражений сигнала внутри помещения также является одной из проблем, которые могут повлиять на качество приема.»

Сети 5G требуют гораздо более высоких рабочих частот. По словам Jiyoun: «При распространении электромагнитных волн на более высоких частотах ослабление сигнала в воздухе сильнее. Следовательно, для антенн нужно будет увеличить коэффициент усиления, чтобы передавать сигналы на большие расстояния. Чем выше коэффициент усиления антенны, тем больше направленность её излучения. Поэтому видимость (радиовидимость) антенны или её угловое перекрытие станет достаточно малым.» Из-за этого мобильные телефоны «видят» базовые станции в очень ограниченном диапазоне.

Показано сравнение сигналов для 5G-сетей от антенны в виде четвертьволнового монополя и антенны в виде фазированной решётки.
Сигнал от антенны в виде четвертьволнового монополя (сверху) распространяется изотропно на относительно низкой частоте, в то время как антенна в виде фазированной решётки (снизу) сканирует пространство для приёма сигналов вот вышки сотовой связи, но при этом с большим коэффициентом усиления и на более высоких частотах.

Улучшение технологии на основе набега фазы

Для решения вышеперечисленных проблем используют фазированную антенную решётку (active electronically scanned array- AESA). Её принцип работы основан на управлении формой диаграммы направленности и направлением излучения путём амплитудно-фазового изменения входного сигнала. «Арифметический набег фазы на каждом элементе решётки может менять направление излучения» — отмечает Jiyoun. «Направление максимального излучения в таком случае перпендикулярно эквифазной плоскости, поэтому диаграмма направленности излучения повёрнута по направлению к более "быстрому по фазе" элементу антенны.» Это основной принцип действия фазированной решётки — управлять направлением излучения.

Изображена диаграмма направленности однополюсной системы антенн в дальней зоне (результат расчета в COMSOL Multiphysics).
Диаграмма направленности однополюсной системы антенн в дальней зоне.

Оптимальная антенна для 5G-сетей — это фазированная антенная решётка (ФАР), которую можно построить из прямоугольных микрополосковых антенн, состоящих из нескольких групп обычных антенн. Используя набег фазы и весовой коэффициент для каждого элемента массива, можно оптимизировать угловое перекрытие и коэффициент усиления для 5G-сетей. Моделируя конструкцию ФАР, можно оценить её производительность для 5G-сетей. Компьютерное моделирование упрощает расчёт диаграммы направленности в дальней зоне и позволяет оценить и оптимизировать все входные параметры.

Результаты моделирования для фазовой антенной решётки размером 8x8 элементов.
Результаты моделирования ФАР размером 8×8 элементов.

Демо-версия приложения Slot-Coupled Microstrip Patch Antenna Array Synthesizer (Синтезатор прямоугольной микрополосковой антенной решетки с щелевой связью) имеет упрощённый пользовательский интерфейс. Его можно использовать для быстрых предварительных расчётов прототипов антенн для 5G-сетей. Приложение можно открыть и запустить, используя ваш интернет браузер, в т.ч. удаленно. «С помощью данного приложения инженеры-проектировщики могут искать асимптотическое решение для антенной системы, а также могут совместно использовать данное приложение со своими коллегами, одновременно работая над оптимизацией конструкции» — говорит Jiyoun. Так как интерфейс приложения интуитивно понятен и прост, а также оптимизирован для конкретных рассчётов, вы можете моделировать свои собственные конструкции антенн всего за 90 секунд, в отличии от нескольких дней, которые потребовались бы для расчёта полной модели. Создание таких приложений для моделирования является эффективным и простым способом расчёта.

Интерфейс приложения «The Slot-Coupled Microstrip Patch Antenna Array Synthesizer».
Интерфейс приложения «The Slot-Coupled Microstrip Patch Antenna Array Synthesizer».

Возможные применения технологии 5G

С приходом 5G-сетей мы окажемся в ещё более технологичном обществе. Интернет вещей, который также иногда называется Всеобщим Интернетом или Индустриальным интернетом, — это термин, который используется для описания нового поколения умных устройств и технологий обмена информацией. Его популярность связана с большой гибкостью, т.к. IoT может быть применен практически в любой отрасли.

Умные дома и портативные электронные устройства, такие как фитнес-браслеты и умные часы, являются одним из примеров IoT. К примеру, они могут отслеживать активность человека в течении дня, вести статистику в приложениях, анализировать эти данные и подбирать необходимые индивидуальные программы тренировок и питания. По мере развития сетей 5G становятся доступны новые возможности использования этой технологии. В области здравоохранения, устройства, подключённые к IoT, автоматически организуют доставку и ввод необходимых лекарств, собирают информацию о пациентах и в режиме реального времени её обрабатывают. В средствах массовой информации такие устройства отслеживают наши предпочтения в области развлечений и покупок, чтобы автоматически рассылать нам рекламу о предстоящих мероприятиях.

Фотография фитнес-браслета -- одного из примеров применения Интернета вещей.
Фитнес-браслет — один из примеров использования Интернета вещей в повседневной жизни.

Собранные с этих умных устройств данные, будь то температура, количество шагов, условия окружающей среды или другие факторы, затем анализируются целой системой, к которой они подключены. Далее система IoT обрабатывает данные и управляет умными устройствами (включает или выключает их, посылает сообщение, вводит лекарство), тем самым завершая рабочий цикл.

Рассчитывая и анализируя радиочастотные помехи от умных устройств, можно создавать более продвинутый и технологичный Интернет вещей. Применению IoT практически нет ограничений. Развивая сети нового поколения, можно оптимизировать работу всех устройств для того, чтобы они эффективно взаимодействовали друг с другом. Благодаря гибкости 5G-сетей, Интернет вещей сможет стать реальностью и заработать в полном объёме уже в ближайшие несколько лет.

Некоторые выводы по оптимизации радиочастотных приборов для 5G-сетей

Ждать сети 5G осталось еще несколько лет. Более подробный расчёт и детальный анализ таких микроволновых и радиофизических характеристик, как усиление антенн, частотные диапазоны и регулировки направленности сигнала при приёме или излучении, позволит обеспечить доступность технологии для всех пользователей уже к 2020 году. Использование компьютерного моделирования и специальных приложений является очень эффективным и прогрессивным подходом в создании новейших технологий. Давайте начнём развивать сети нового поколения прямо сейчас!

Дополнительные материалы

Комментарии (0)

Оставить комментарий
Log In | Registration
Загрузка...
Explore COMSOL Blog 
CATEGORIES
TAGS
CATEGORIES
TAGS