Qualcomm hat kürzlich die weltweit ersten vollständig integrierten 5G NR (mmWave) - und Sub-6 GHz-Hochfrequenzmodule für mobile Geräte vorgestellt. Bisher wurden mmWave-Signale aufgrund zahlreicher technischer Schwierigkeiten nicht für die Mobilkommunikation verwendet. Daher waren viele in der Branche davon überzeugt, dass dies einfach nicht möglich war. Wie Schwierigkeiten überwunden wurden und welche Auswirkungen der Millimeterbereich auf 5G haben wird - in unserem Test unten.
Bis 2020 wird der weltweite mobile Datenverkehr gegenüber 2014 um das 30-fache zunehmen und sich auf
8 Milliarden Gigabyte pro Tag belaufen. 75% dieses Datenverkehrs werden Multimedia-Daten streamen. Dies geht aus der Prognose von Nokia Bell Labs hervor, die 2016 veröffentlicht wurde und bisher in Erfüllung gegangen ist. Darüber hinaus möchten laut Umfragen mehr als 86% der Smartphone-Nutzer, dass das Internet beim nächsten Smartphone, das sie kaufen, schneller funktioniert, und
50% sind bereit, ein Smartphone mit 5G zu kaufen, sobald es verfügbar ist.
Netzwerke der fünften Generation sind unterwegs. Sie bieten eine 10-mal höhere Datenübertragungsrate im Vergleich zu LTE und eine 10-mal schnellere Antwort (eine schnellere Antwort in Berichten bedeutet weniger Pings). Bisher haben sich viele Hersteller mobiler Geräte auf 5G für die Verwendung im Internet verlassen Dinge, für Fernsteuerungsanwendungen, für die virtuelle Realität - im Allgemeinen für alles, aber nicht für gewöhnliche Verbrauchergeräte, die wir jeden Tag bei uns haben: Smartphones und Tablets. Dafür gibt es zwei grundlegende Gründe.
Was sind die Probleme?
Alle Vorteile von 5G in Form von enormen Benutzerdatenübertragungsraten und niedrigen Pings sowie einer wesentlich größeren Netzwerkkapazität, die es ermöglicht, einer großen Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig ein solches Serviceniveau bereitzustellen, werden nicht mit Hilfe einer Magie realisiert, sondern hauptsächlich aufgrund der Verwendung von Größenordnungen eines breiteren Bandes Frequenzen im Vergleich zum gleichen LTE. Woher diese Frequenzen im Allgemeinen kommen, ist auch klar: Sie müssen immer höhere Bereiche verwenden. Wir haben also Millimeterwellen (je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge, daran erinnern wir uns aus dem Schulphysikkurs) oder mmWave: Dies ist der Name für den Bereich von etwa 24 bis 300 GHz. Für 5G wird der "niederfrequente" Teil dieses Bereichs verwendet, insbesondere wurden bereits bestimmte Frequenzbänder zugewiesen, z. B. 26,50–29,50 GHz (n257), 24,25–27,50 GHz (n258). In Russland wurde ein Intervall von 25,25 bis 29,50 GHz für 5G-Tests zugewiesen.
Neben den „hohen“ mmWave-Frequenzen in 5G werden auch Frequenzen unter 6 GHz verwendet. Sie sind Sub-6-Frequenzen (z. B. in Europa und hoffentlich in Russland 3,4 bis 3,8 GHz) - sie sind hauptsächlich für diesen Zweck bestimmt Bereitstellung einer breiteren als im Fall der Millimeterbereichsabdeckung, dh für den Aufbau von Makronetzwerken; Geschwindigkeiten von mehreren zehn Gigabit pro Sekunde wie in mmWave kommen nicht in Frage. Beide Bänder werden zur Übertragung von 5G NR-Funkwellen verwendet. NR ist in diesem Fall New Radio, dh ein neues Austauschprotokoll zwischen der Basisstation und dem Endgerät.
Was ist die Schwierigkeit mit dem Millimeterbereich? MmWave widerspricht nicht den Gesetzen der Physik, aber es war wirklich schwierig, es in einem kompakten Gerät wie einem Smartphone zu implementieren. Tatsache ist, dass Modems, die sowohl Sub-6 als auch mmWave unterstützen, kein fertiges Gerät sind, wie es sich der Durchschnittsmensch vorstellt, sondern nur ein Modulator / Demodulator im klassischen Sinne. Und es gibt auch Funkmodule - also Verstärker, Bandpassfilter usw., die aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und ihres Stromverbrauchs als unmöglich im Smartphone-Formfaktor implementiert wurden.
Im Allgemeinen werden Frequenzen über 24 GHz in der Funkkommunikation seit langer Zeit verwendet, beispielsweise für Funkrelaisleitungen, die auf Sichtlinie, Satellitenkanälen und ähnlichen festen Lösungen arbeiten. Das Schlüsselwort ist festgelegt, da stationäre Geräte keine Einschränkungen hinsichtlich Größe und Gewicht sowie Energieverbrauch aufweisen und natürlich so installiert werden können, dass diese Sichtlinie gewährleistet ist.
Solche hohen Frequenzen zeichnen sich durch eine signifikante Dämpfung des Signals mit zunehmender Entfernung sowie eine größere Empfindlichkeit gegenüber Hindernissen aus: Der menschliche Körper, der Kopf und sogar die Hand können ein unüberwindbares Hindernis für die Ausbreitung von Wellen werden, aber es gibt nichts zu sagen über die Fähigkeit, in Gebäude einzudringen. Daher wurden Millimeterwellen nie für die Mobilkommunikation verwendet. Es wurde angenommen, dass in den Abmessungen des Telefons jede Lösung entweder keine stabile Kommunikation bietet oder den Akku sofort aufzehrt, und höchstwahrscheinlich beides gleichzeitig.
Forschungsprototyp des mmWave-Modems (links) 5G und eines Referenz-Smartphones, in das Sie ein kommerzielles 5G-Modem mit mmWave-Unterstützung integrieren könnenDas zweite Hindernis für die Einführung von mmWave in Smartphones bestand darin, dass diese Technologie eine extrem dichte Installation von Basisstationen impliziert: Viele glauben, dass fast in jedem Raum des Gebäudes und in der Stadt - auf jedem Laternenpfahl mit einem Abstand von jeweils 150 bis 200 Metern Es sollte eine Basisstation voneinander vorhanden sein, damit die Verwendung des Millimeterbereichs zumindest sinnvoll ist. Und da die Betreiber dies sehr bald erkennen, ist es nicht erforderlich, die Unterstützung für diese Bereiche in Smartphones zu integrieren.
Die Ingenieure von Qualcomm sind jedoch der Ansicht, dass mmWave-Basisstationen im Großen und Ganzen nur für die Abdeckung von Innenräumen benötigt werden: Sie müssen nicht 5G BS unter jede Buchse hängen, LTE BS und später Sub-6 reichen für Teppichböden aus Dies erfordert eine viel geringere Installationsdichte (und hier ist es eine Sünde, sich nicht an die Statistiken der Mobilfunkbetreiber zu erinnern, die besagen, dass bis zu 80% des Datenverkehrs von den Räumlichkeiten aus generiert werden).
Für wen ist das Problem und für wen ist die Aufgabe
Im Jahr 2017 zeigte Qualcomm auf der MWC in Barcelona einen funktionierenden Prototyp eines Datenübertragungssystems, das in mmWave bei 28-GHz-Frequenzen in den Dimensionen eines Mobilgeräts arbeitet.
Dank der Verwendung von adaptivem Bimforming und Bimtracking (Bilden eines gerichteten „Strahls“ des Signals zwischen dem Client-Gerät und der Basisstation und Verfolgen seiner Bewegung relativ zur BS) konnte durch sofortiges Umschalten des „Strahls“ eine stabile Verbindung innerhalb des fahrenden Autos im Bürogebäude (wobei das Signal durch Nicht-Kapitalwände geleitet wird) erreicht werden. »Zu einer anderen Basisstation und Schutz vor Blockierung des" Strahls "durch den Körper oder die Hand, mit der der Teilnehmer das Smartphone hält. Antennenarrays mit hohen Verstärkungsfaktoren werden verwendet, um einen Strahl im dreidimensionalen Raum sowohl an der Basisstation als auch auf dem mobilen Gerät zu bilden: von 128 bis 256 oder mehr Elementen auf der BS und von 4 bis 32 auf dem Teilnehmerendgerät. In diesem Fall kann der Strahl indirekt sein: Die Antennenanordnungen steuern ihn unter Berücksichtigung der Rückreflexion von Wellen von umgebenden Objekten. Grob gesagt erschien ein Hindernis (oder sogar der Benutzer hat sein Smartphone anders abgefangen) - und der Strahl zur BS ging nicht direkt, sondern mit einer Reflexion von der nächsten Wand.
Die Lösung für den Millimeterbereich basiert auf dem Snapdragon X50 5G-Modem, das die Installation mehrerer Antennenarrays unter der Vorder- und Rückseite des Smartphones unterstützt, wodurch eine fast kugelförmige Beschichtung entsteht und das Problem der Schattierung durch Halten des Smartphones von Hand beseitigt wirdDie Module sind mit einem integrierten Transceiver, einer integrierten Energieverwaltungsschaltung, Funkkomponenten der Eingangsstufen und Unterstützung für Phased-Array-Antennen ausgestattet. Das QTM052-Modul unterstützt die Aggregation von bis zu 800 MHz (8 x 100) in den Frequenzbereichen 26,5–29,5 GHz (n257), 27,5–28,35 GHz (n261) und 37–40 GHz (n260). Die Module QPM5650, QPM5651, QDM5650 und QDM5652 unterstützen die integrierte SRS-Umschaltung, die zur Optimierung von Massive MIMO-Anwendungen erforderlich ist. Sie arbeiten in den Frequenzbereichen 3,4–4,2 GHz (n77), 3,3–3,8 GHz (n78) und 4,4–5,0 GHz (n79) und können das 100-MHz-Spektrum nutzen. Die QPM-Serie unterscheidet sich von der QDM-Serie durch das Vorhandensein eines integrierten Leistungsverstärkers (PA). Derzeit werden Muster der mmTave-Antennenmodule QTM052 und der Funkmodule QPM56xx an Kunden gesendet.
Kommerzialisierte Lösung
Oldtimer erinnern sich, dass sie vor dreißig Jahren über das Gleiche über CDMA gesprochen haben: Sie sagen, dass es zu schwierig sein wird oder überhaupt nicht funktionieren wird. Lassen Sie uns ein einfaches und ungeschicktes GSM erstellen. Qualcomm gelang es dann jedoch, CDMA in Mobilgeräten zu implementieren, und derselbe CDMA-800 in den neunziger Jahren (Verbreitung in den USA, Korea und einer Reihe anderer Länder) übertraf GSM in jeder Hinsicht. Als es an der Zeit war, analoge Netze, zum Beispiel NMT-450, auszuschalten, ersetzten sie auch CDMA - in Russland war Sky Link in CDMA-450 übrigens der erste mobile Breitbandbetreiber: Zu Beginn von Null gab es bereits einige Megabit pro Sekunde Geschwindigkeit während GSM-Betreiber kaum mit dem Start von EDGE begannen. Und in derselben Null, als sie 3G (UMTS) entwickelten, nahmen sie die 1989 von Qualcomm implementierte Technologie als Grundlage: WCDMA (Wideband CDMA) ist in der Tat dasselbe CDMA, das nur ein breites Frequenzband für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung verwendet.
Jetzt wiederholt sich die Situation. In diesem Sommer entstanden Prototypen mit wwWave-Unterstützung in einer vorgefertigten kommerziellen Lösung für 5G-Smartphones, dank derer die ersten seriellen Geräte im nächsten Jahr veröffentlicht werden.
Dies sind die ersten vollständig integrierten 5G NR QTM052-Module für mmWave- und Funkmodule, die Frequenzen bis zu 6 GHz QPM56xx unterstützen. Sie sind mit Qualcomm Snapdragon X50 5G-Modems kompatibel und müssen tatsächlich nur zwischen Modem und Antenne installiert werden. Das Modem unterstützt bis zu vier dieser Module gleichzeitig, sodass Sie verschiedene Frequenzbereiche verwenden können.
Im Allgemeinen freuen wir uns sehr auf 2019, das für Ereignisse in der 5G-Welt vielversprechend sein wird.