mmWave auf dem Weg zur Kommerzialisierung im Smartphone-Formfaktor

Mobile Geräte werden von Jahr zu Jahr schneller und stärker: Ihre Produktivität, die Auflösung von Kameras und Bildschirmen sowie die Fähigkeit, Anwendungen auszuführen, nehmen zu. Benutzer verbringen immer mehr Zeit mit Smartphones, und all dies führt zu einer stetigen Zunahme des Datenübertragungsvolumens. Laut Ericsson verbraucht der durchschnittliche Smartphone-Nutzer in den USA beeindruckende 7,2 GB Datenverkehr pro Monat (in Russland übrigens nicht viel weniger - etwa 6 GB), und bis 2023 wird sich dieser Betrag um 7 (sieben!) Erhöhen. mal.

Wenn Sie die Netzwerke nicht weiterentwickeln, ersticken sie einfach oder die Durchschnittsgeschwindigkeit sinkt mindestens siebenmal. Eine effektive Erhöhung der Kapazität und Bandbreite von Netzwerken kann in der Tat nur in eine Richtung erfolgen: aufgrund des Hochfrequenzspektrums. Je breiter die Bandbreite, desto mehr Daten können gleichzeitig übertragen werden. Es bleibt nur irgendwo, um die freien Frequenzen in der richtigen Menge zu nehmen: Hier wird der Millimeterbereich (mmWave) relevant - also Frequenzen über 24 GHz.

Warum nicht vorher einen Millimeterbereich verwenden?

Es gibt ein Problem mit ihm, sogar zwei. Erstens haben Millimeterwellenwellen aufgrund der starken Dämpfung selbst in Luft einen sehr geringen Ausbreitungsradius. Zweitens ist die Fähigkeit, Hindernisse zu umgehen, umso geringer, je kürzer die Wellenlänge ist. Bei einer Millimeterwelle kann sogar Ihre Hand, die ein Smartphone hält und die Antenne blockiert, zu einer leeren Wand werden.

Ingenieure haben diese Probleme lange Zeit gelöst und eine Reihe von Antennen und das sogenannte Bimforming entwickelt: die Bildung eines gerichteten "Strahls", um seine Leistung mithilfe von Antennenfeldern zu erhöhen. Das heißt, wir brauchen Antennenarrays - eins, sie brauchen ein paar - zwei. Lange Zeit glaubte man, dass mmWave deshalb nicht in mobilen Geräten verwendet werden kann: Sie sind zu umständlich. Bis 2018 gelang es Qualcomm jedoch, QTM052-Antennenmodule zu erstellen, die kleiner als eine Büroklammer sind! Bis zu vier dieser Module befinden sich an den Seitenflächen des Gehäuses, wodurch das Smartphone dünn bleibt. Wenn Sie sich die Fotos von 5G-Smartphones ansehen, die in das Netzwerk gelangt sind, z. B. Xiaomi Mi Mix 3, Vivo und Oppo, sehen Sie, dass sie sich in Größe und Gewicht nicht von aktuellen Smartphones unterscheiden, die nur LTE unterstützen.



Der einzige bekannte „Fehler“, den 5G-Hasser hervorheben, ist der Qualcomm-Prototyp (Referenz-Smartphone-Design). Wenn Sie sich jedoch die Prototypen früherer Gerätegenerationen ansehen, können Sie sehen: Diese vorhandenen „Modelle“ waren immer recht umständlich - vor allem, um das Schaltungsdesign zu studieren. Es kann jedoch nur bedingt als „Ziegel“ bezeichnet werden: Das Gerät hat Abmessungen von 160,0 × 73,8 × 9,5 mm.

Wo, wie und warum wird mmWave verwendet?

Der Hauptbereich von mmWave sind Massenveranstaltungen in Stadien, in Konzertsälen, Ausstellungen usw. In einem solchen Modell sind typische Probleme der Ausbreitung von Millimeterwellen unbedeutend: Es gibt keine Verluste, die mit dem Durchgang des Signals durch die Wände, der Absorption des Signals durch Laub oder Regen oder der Auslöschung in großer Entfernung verbunden sind: Die Basisstation befindet sich immer nicht mehr als ein paar zehn Meter vom Teilnehmer entfernt. Es gibt jedoch viele Vorteile: Aufgrund der besseren Richtwirkung der Antennen und der spektralen Effizienz sowie der idealen Strahlbildung ist die Kapazität des Netzwerks (genau das Netzwerk, das bei Massenereignissen am häufigsten "liegt") perfekt gelöst. In diesem Fall wird mmWave als Ergänzung zum vorhandenen LTE-Netzwerk verwendet.



Experimente zeigen, dass beispielsweise für ein Musikereignis im offenen Raum das Hinzufügen von 16 5G-NR-Sektoren (800-MHz-Spektrum) zu 38 (!) LTE-Sektoren (50-MHz-Spektrum) eine Verzehnfachung der Kapazität, eine hundertfache Erhöhung der Bandbreite und eine reale durchschnittliche Übertragungsrate ergibt Daten bei 233 Mbit / s.

Auf diese Weise können Sie neue Fälle für die Verwendung mobiler Kommunikation erstellen - von der Platzierung drahtloser Monitore, auf denen beispielsweise jeder Musiker in der Nähe angezeigt wird, bis hin zu sofortigen personalisierten Wiederholungen bestimmter Sportfragmente oder sogar der Möglichkeit, über einen VR-Helm auf dem Spielfeld zu erscheinen und sehen Sie das Spiel mit den Augen Ihres Lieblingsspielers. Für den Realismus haben solche Helme eine Auflösung von 1920 × 1920 für jedes Auge mit HDR und 10 Bit pro Farbkanal sowie eine Bildwiederholfrequenz von 60 Bildern pro Sekunde. Dies erfordert eine Geschwindigkeit von 60 bis 90 Mbit / s pro Benutzer mit Spitzen von mehr als 100 Mbit / s und Verzögerungen von weniger als 20 ms, damit beim Bewegen des Kopfes keine merklichen „Verzögerungen“ auftreten.



Wenn Sie sich vom Thema Massenereignisse entfernen, können Sie mit 5G beispielsweise mithilfe von Augmented Reality in der Stadt navigieren. Darüber hinaus geschieht dies alles in Echtzeit auf dem aktuellen Bild von der Kamera und nicht auf einem statischen Bild. Daher müssen Sie hier das neuronale Netzwerk sofort mit vollem Puffer laden, um Bilder zu analysieren und kleine Pakete herunterzuladen. Andernfalls ist auch die Verzögerung von weniger als 20 ms wichtig Durch die Bewegung des Smartphones und das Ändern des Bildes im Sichtfeld der Kamera haben die Daten keine Zeit zum Laden.



Und natürlich das Spiel. Hier geht es nicht nur um Low-Ping-Multiplayer-Spiele, sondern auch um völlig neue Arten von Spielen, zum Beispiel „Virtual Paintball“, bei dem die Spieler anstelle von Paint-Markern ein Smartphone erhalten und mit virtuellen Waffen schießen. Die Software erkennt die Bilder der Spieler und weiß genau, wer wer schlug. Gleichzeitig wird es möglich, die reale Welt mit virtuellen Objekten zu ergänzen, beispielsweise denselben Erste-Hilfe-Sets, Rüstungen oder zusätzlichen Waffen und Munition.