Новая технология может обеспечить бесперебойную передачу данных в сетях 5G на скорости до 800 Мбит/с

Потребители современных сотовых телефонов 5G, часто сталкиваются с одной из следующих проблем: впечатляющая скорость загрузки с чрезвычайно ограниченным и неравномерным покрытием или широкое и надежное покрытие со скоростями, которые не намного выше, чем у современных сетей 4G.

Новая технология, разработанная инженерами-электриками из Калифорнийского университета в Сан-Диего, сочетает в себе лучшее из обоих стандартов и может обеспечить сверхбыстрое и надежное подключение 5G.

Команда представит свою работу на конференции ACM SIGCOMM 2021, которая пройдет онлайн с 23 по 27 августа.

Эта технология представляет собой решение, позволяющее преодолеть препятствие на пути к практическому применению высокочастотного 5G для повседневного использования: быстрые беспроводные сигналы, известные как миллиметровые волны, не могут распространяться далеко и легко блокируются стенами, людьми, деревьями и другими препятствиями.

Современные высокочастотные системы 5G передают данные, посылая один лазерный луч миллиметрового диапазона между базовой станцией и приемником, например телефоном пользователя. Проблема в том, что если что-то или кто-то встает на пути этого луча, соединение полностью блокируется.

«Использование одного луча создает единую точку отказа», - говорит Динеш Бхарадиа, профессор электротехники и компьютерной инженерии инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс.

Два луча лучше, чем один

Бхарадиа и его команда, которые являются частью Центра беспроводной связи Калифорнийского университета в Сан-Диего, придумали умное решение: разделить один лазерный луч миллиметрового диапазона на несколько, при этом каждый луч должен идти по разному пути от базовой станции к ресиверу. Идея состоит в том, чтобы повысить вероятность того, что хотя бы один луч достигнет приемника, когда на пути есть препятствие.

Исследователи создали систему, способную делать это, и протестировали ее в офисе и за пределами здания на территории кампуса. Система обеспечивала соединение с высокой пропускной способностью (до 800 Мбит/с) со 100% надежностью. Это означает, что сигнал не падал и не терял силу, когда пользователь перемещался между препятствиями, такими как столы, стены и скульптуры на открытом воздухе. В ходе испытаний на открытом воздухе система обеспечивала возможность подключения на расстоянии до 80 метров.

Для создания своей системы исследователи разработали набор новых алгоритмов. Один алгоритм сначала инструктирует базовую станцию разделить луч на несколько путей. Некоторые из них имеют прямой путь от базовой станции и приемника; другие лучи идут непрямым путем, где они отражаются от так называемых отражателей - поверхностей в окружающей среде, которые отражают миллиметровые волны, такие как стекло, металл, бетон или гипсокартон, - чтобы добраться до приемника. Затем алгоритм узнает, какие пути являются наилучшими в данной среде. После система оптимизирует угол, фазу и мощность каждого луча, так что, когда они достигают приемника, то конструктивно объединяются для создания сильного, высококачественного и высокопроизводительного сигнала.

При таком подходе большее количество лучей приводит к более сильному сигналу.

«Можно предположить, что разделение луча снизит пропускную способность или качество сигнала», - сказал Бхарадиа. «Но с учетом того, как мы спроектировали наши алгоритмы, математически оказывается, что наша многолучевая система обеспечивает более высокую пропускную способность при передаче такого же количества энергии, что и однолучевая система».

Другой алгоритм поддерживает соединение, когда пользователь перемещается и если другой пользователь встает на пути. Когда это происходит, лучи смещаются. Алгоритм решает эту проблему путем постоянного отслеживания движения пользователя и перепрофилирования всех лучевых параметров.

Исследователи реализовали свои алгоритмы на новейшем оборудовании, разработанном в лаборатории. «Для этого не нужно никакого нового оборудования», - сказал Иш Джайн, доктор философии по электротехнике и компьютерной инженерии. «Все наши алгоритмы совместимы с текущими протоколами 5G».

Аппаратное обеспечение состоит из небольшой базовой станции и приемника. Базовая станция оснащена фазированной решеткой, которая была разработана в лаборатории профессора электротехники и компьютерной инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Габриэля Ребеиса, который является экспертом в области фазированных решеток для связи 5G и 6G, он также является членом университетского центра беспроводной связи.

Сейчас команда работает над масштабированием своей системы для поддержки нескольких пользователей.