Распространение смартфонов и планшетных компьютеров, использующих для подключения к Интернету интенсивно различные протоколы беспроводной радиосвязи, обеспечивает кардинальное увеличение нагрузки на существующие беспроводные сети, а увеличение пропускной способности канала требует экспоненциального расширения полосы используемого этим каналом радиочастот. Тем не менее, необходимость увеличения скорости загрузок, повышения качества работы многих сервисов и распространение “армии” подключенных к Интернету устройство, известных под термином “Интернет вещей”, требуют постоянного увеличения пропускной способности каналов, что, в свою очередь, требует от инженеров принципиально новых решений.
Для того, чтобы решить проблему поддержки стандартов следующего поколения мобильных коммуникационных 5G-технологий, исследователи из Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) разработали ряд новых измерительных инструментов, предназначенных для работы с коммуникационными каналами диапазона, нового для систем мобильной связи. И использование этих диапазонов позволит увеличить минимум в 1000 раз ширину каналов цифровых мобильных сетей следующего поколения.
Высокочастотная направленная антенна
Свободная часть спектра, куда могут двигаться инженеры, разрабатывающие коммуникационное оборудование, находится в более высокочастотной области. Мобильные устройства и устройства Wi-Fi, как правило, работают на частотах ниже 3 ГГц. Некоторые из устройств нового поколения осваивают диапазон в районе 10 ГГц, а исследователи из NIST “забрались” гораздо выше, в район 100 ГГц и дальше.
Метрологическая инфраструктура, на базе которой будут строиться все стандарты высокочастотных радиокоммуникаций, в настоящее время является еще неполной. Использование более высоких частот требует от метрологического оборудования и испытательных стендов большей точности, которая, в свою очередь, обеспечит выбор оптимальных режимов работы мобильных устройств и позволит избавиться от ошибок приема-передачи информации. Помимо этого, физика распространения высокочастотных радиоволн миллиметрового диапазона несколько отличается от физики распространения более низкочастотных волн, модели высокочастотных каналов являются более сложными и это также будет необходимо учитывать в метрологическом оборудовании.
Возможные решения в обеспечении надежной работы систем коммуникаций миллиметрового диапазона заключаются в создании сложных матричных антенн, которые имеют возможность создавать несколько направленных лучей, передающих данные на мобильные устройства, положение которых отслеживается в режиме реального времени. Такой подход позволяет максимально эффективно использовать мощности радиопередатчиков и минимизировать помехи, оказываемые на соседние устройства.
Для настройки подобных антенн требуются источники калиброванных модулированных сигналов, и такой источник был создан группой из NIST, руководимой Кейт Рэмли (Kate Remley). Этот источник служит для калибровки и тестирования электронных компонентов и узлов, работающих в миллиметровом диапазоне, таких, как волноводы, детекторы, усилители и т.п. В особых режимах этот источник позволяет полностью моделировать распространение высокочастотных сигналов так, будто бы это происходит в естественной окружающей среде. Этот источник работает в диапазоне от 44 до 94 ГГц, позволяя проводить количественные и качественные измерения многих параметров устройств радиосвязи, а изготовлен он на обычной элементной базе, так что другие производители смогут без труда повторить его конструкцию и использовать его по своему усмотрению.
Вторым устройством, которое сейчас разрабатывают исследователи из NIST, является своего рода тестер, также работающий в миллиметровом диапазоне, который способен измерять нелинейности характеристик транзисторов и усилителей, которые будут использоваться в приемниках, передатчиках и в других узлах, работающих в миллиметровом диапазоне.
В конце концов группа NIST планирует создать законченный комплекс метрологической, измерительной и калибровочной техники, который обеспечит проведение анализа рассеивания, отражений и других параметров распространения высокочастотных радиосигналов. Это, в свою очередь, будет использовано для расчетов характеристик антенн, для разработки и создания помехозащищенных протоколов радиосвязи, гарантирующих отсутствие ошибок, что станет основой новых цифровых сетей мобильной связи следующих поколений.
