翻訳された記事の前の部分では、新世代の通信ネットワークを作成するためにミリメートル範囲を使用する見通しと、この分野の現状について話しました。 2番目の部分では、ミリメートル範囲での通信の範囲と安定性を検証するためのさまざまな実験について説明します。 最後に、これらの周波数が次世代ネットワークの基盤を形成できるかどうかも調べます。
実験結果
カバレッジの悪さやミリ波の透過率が低いという懸念はどの程度真実ですか？ 2011年に、テキサス大学で実験が行われ、さまざまな物体によってミリ波がどのように散乱および反射されるか、信号がどれだけ早くエネルギーを失うかが明らかになりました。 受信ホーンアンテナが使用されました。これは、100年以上前に使用されていたBocheデザインの開発品です。 このようなアンテナは、送信機または受信機の電力を増加させることなく、指向性集中ビームを形成します。 回転ロボットプラットフォームに4つのアンテナを配置して、信号を任意の方向に向けました。
このようなビーム制御は、将来のミリ波携帯電話システムの重要な機能になる可能性があります。 さらに、基地局とエンドデバイスの両方で。 ただし、このためには、電子制御アンテナのアレイをスマートフォンやタブレットに導入する必要があります。
合計で、トランスミッタとレシーバの相対位置の700を超える組み合わせがテストされました。 信号周波数は約38 GHzでした。 範囲のこの部分は、多くの国ですでに商業用途に割り当てられているため、モバイル通信での使用に適しています。
実験中に、 ミリ波は非常に良好なレベルのカバレッジを提供することがわかりました。 特に、受信機と送信機の間に直接の見通し線を維持する必要はありませんでした;この範囲の波の高い反射率は、欠点ではなく、利点でした。
もちろん、他の無線システムと同様に、受信機が送信機から遠ざかるにつれて、信号損失の可能性が高まりました。 低電力信号の場合、中断は約200メートルの距離で始まりました。 セルラー通信の初期世代では、これが問題になりますが、近年では、オペレータはスループットを向上させるためにセルサイズを縮小することを余儀なくされています。 たとえば、ソウルの中心部など、人口密度の高い地域では、街灯柱やバス停のキオスクに設置されたコンパクトな基地局に基づいて、超小型セルを作成し始めました。 このようなセルは、100メートル以下の距離で動作します。
スモールセルを支持する別の議論は、ミリ波に対する雨の散乱効果であり、デシメートル波よりも早くエネルギーを失います。 ただし、数百メートルの距離ではこの効果は無視できることが研究により示されています。 ただし、いくつかの例外があります。
その後、同じ機器を使用して、世界で最も放射線が飽和している都市の1つであるニューヨークで同じ実験が行われました。 2012年から2013年にかけて、28 GHzと73 GHzの周波数での波の振る舞いも研究されました。 結果はほとんど同じでした。 200メートル離れたマンハッタンの通りでも、通信は85％の時間維持されました。 より正確なアンテナアレイは、300メートルを超える安定した通信の距離を伸ばすことができます。
現在のデシメートル技術と将来のミリメートルの比較。
また、これらの周波数の波は、エネルギー損失がほとんどない乾式壁とガラスを通過することがわかりました。 レンガ、コンクリート、色の濃いガラスがそれらをほぼ完全にブロックします。 そのため、建物の構造によっては、オペレーターが屋内通信を提供するためにリピーターを設置する必要がある場合があります。
新しい研究
上記の結果に触発され、サムスンの専門家とのコラボレーションでテキサス大学の研究者は、通信システムのプロトタイプを作成し始めました。 かさばる電動ホーンアンテナの代わりに、パッチアンテナと呼ばれる長方形の金属板のアレイが使用されました。 それらの大きな利点は、サイズが小さいことであり、これは必然的に波長の半分でなければなりません。 プロトタイプは28 GHz（約1 cm）の信号用に作成されたため、各パッチアンテナは5 mm以下でした。
このようなアンテナアレイ（フェーズドアレイアンテナ）は、レーダーや宇宙通信で長く使用され、Intel、Qualcomm、Samsungなどの多くのチップメーカーがWiGigチップセットに統合しています。 各アンテナの信号を電子制御するため、このようなアレイを使用すると、ビームをすばやく再構築して特定のデバイスに向けることができます。
移動するオブジェクトにビームを保持できる配列は、適応型または「スマート」と呼ばれます。 アレイが大きいほど、ビームは狭くなります。 ビームを再構築するために、アレイは各アンテナからの信号の振幅または位相（または両方）を変更します。 セルラーネットワークに関連して、基地局とエンドデバイスは通信を確立し、互いの光線を「感じ」、信号が最も強い方向を決定します。 その後、通信チャネルが確立されます。
このようなビーム整形と制御は、2つの方法で実装できます。
最初の方法 ：アナログ信号は、デジタル位相コントローラーまたはアンプによって直ちに（または受信直後に）処理されます。
2番目の方法 ：アナログへの変換前（またはデジタル化後）にデジタル形式で処理が行われます。
それぞれのアプローチには長所と短所があります。
デジタルビームフォーミングにより、精度が向上します。 しかし、パッチアンテナごとに個別のコンピューティングモジュールと「大食い」デジタルアナログ（またはアナログデジタル）コンバーターが必要になるため、より複雑で、したがってより高価になります。
一方、アナログビームフォーミングは、固定コンポーネントを使用するため、よりシンプルで安価です。 ただし、この方法は柔軟性が低くなります。
両方の方法を最大限に活用するために、プロトタイプではハイブリッドアーキテクチャが使用されました。 特に、アナログフロントエンドの位相コントローラーを使用して、狭い指向性ビームを形成し、通信範囲を拡大することができました。 バックエンドでは、デジタル処理を使用して、アレイのさまざまなセクションを個別に制御しました。 デジタル入力により、複数のビームを複数のエンドデバイスに同時に送信したり、1つのデバイスにすべてのビームを集中させることができました。 つまり、MIMO方式が適用されました。
64個のアンテナの配列は、ノートシートのサイズでした。 それは2つのMIMOチャネルに分割され、各チャネルは500 MHz帯域を使用し、10度幅のビームを形成できました。 実験室の条件では、これら2つのビームにより、2つの移動局への500 Mbpsを超える速度で、ほぼエラーのないデータ伝送を保証することができました。 同じステーションに向けられた両方のビームにより、1 Gbit / sを超える速度でデータを送信できました。 比較のために、ニューヨークでは、LTEネットワークの平均速度は約10メガビット/秒であり、理論的には50メガビット/秒に達する可能性があります。
プロトタイプは、最大8 km / hの速度でランダムな方向に移動局を移動するときに安定した通信を提供しました。 通信は、見通し外約300 mの距離で維持されました。 また、受信機と送信機の間に障害物がない場合、通信距離は2 kmに増加しました。
このプロトタイプは、概念を証明するために作成されたものであることに注意してください。 より広い帯域、より狭いビームを使用し、MIMOチャネルの数を増やすと、伝送速度と通信範囲ではるかに高い結果を達成できます。 コンピュータシミュレーションでは、実際の状況では、毎秒数ギガビットのレベルで伝送速度を完全に保証できることが示されています。
しかし、1つの重要な制限があります-アンテナアレイをスマートフォンやタブレットに配置するための空きスペースをどこで取得するか Samsung Galaxy Note IIは、デバイスの上下に32個のアンテナを押し込み、360度のカバレッジを実現しました。
おわりに
これらの多数の実験はすべて、ミリ波範囲に基づくセルラー通信が単に可能であるだけでなく、ブレークスルーになると信じるあらゆる理由を与えます。 もちろん、作業はまだ初期段階にあります。 ネットワークのフルサイズのエンジニアリングモデルを作成するには、ミリメートルチャネルの統計モデル、ビーム形成アルゴリズム、新しいエネルギー効率の高い標準などを開発する必要があります。 政府機関もこのプロセスに関与する必要があります。
現在、干渉管理スキームやスモールセルに基づく高密度アーキテクチャなど、世界中のさまざまな産業グループがすでに「5Gテクノロジー」の役割の候補を探しています。 そして、ミリメートルの範囲があらゆる種類の成分を組み合わせることができる重要なコンポーネントであるという理解がすでに来ています。
-もちろん、タイミングについて話すのは時期尚早ですが、5Gの基礎を形成する特定の技術についてさえもです。 ミリ波の範囲は、セルラー通信の組織化に完全に適しているとは言えません。 しかし、その利点が欠点を上回る可能性があり、開発者は最も重要な「不便」を補う方法を見つけ出すでしょう。 次に、ミリメートル範囲の使用の見通しに関するロシアの専門家の意見を知りたい。 彼を5Gテクノロジーの役割の主要な候補者と考えていますか？ おそらく、ミリ波機器の使用経験はありますか？ あなたがコメントで彼について話していたら素晴らしいと思います。