mmWave sur smartphones: comment Qualcomm a rendu possible l'impossible

Qualcomm a récemment présenté les premiers modules de radiofréquence 5G NR (mmWave) et sous-6 GHz entièrement intégrés pour les appareils mobiles. À ce jour, les signaux mmWave n'ont pas été utilisés pour les communications mobiles en raison de nombreuses difficultés techniques. Par conséquent, beaucoup dans l'industrie étaient convaincus que cela n'était tout simplement pas possible. Comment les difficultés ont été surmontées et quel impact la gamme de millimètres aura sur la 5G - dans notre revue ci-dessous.

D'ici 2020, le trafic de données mobiles dans le monde augmentera de 30 fois par rapport à 2014 et atteindra 8 milliards de gigaoctets par jour . 75% de ce trafic sera en streaming des données multimédia, découle des prévisions de Nokia Bell Labs, publiées en 2016 et qui se sont jusqu'à présent réalisées. De plus, selon les sondages, plus de 86% des utilisateurs de smartphones souhaiteraient que l'Internet fonctionne plus rapidement dans le prochain smartphone qu'ils achètent, et 50% sont prêts à acheter un smartphone avec 5G lorsqu'il sera disponible.

Des réseaux de cinquième génération sont en route. Ils fourniront des taux de transfert de données 10 fois plus élevés que le LTE et une réponse 10 fois plus rapide (une réponse plus rapide dans les rapports signifie moins de pings), mais jusqu'à présent, de nombreux fabricants d'appareils mobiles se sont appuyés sur la 5G pour être utilisée pour Internet choses, pour les applications de contrôle à distance, pour la réalité virtuelle - en général, pour n'importe quoi, mais pas pour les appareils grand public ordinaires que nous portons tous les jours avec nous: smartphones et tablettes. Il y a deux raisons fondamentales à cela.

Quels sont les problèmes?

Tous les avantages de la 5G sous la forme de taux de transfert de données utilisateur énormes et de faibles pings et d'une capacité de réseau fondamentalement plus grande, qui permet de fournir un tel niveau de service à un grand nombre d'abonnés en même temps, ne sont pas réalisés à l'aide de magie, mais principalement en raison de l'utilisation d'ordres de grandeur plus large bande fréquences par rapport au même LTE. Où obtenir ces fréquences, en général, est également clair: vous devez utiliser des plages de plus en plus élevées. Nous sommes donc passés à des ondes millimétriques (plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est courte, nous nous en souvenons du cours de physique de l'école) ou mmWave: c'est le nom donné à la plage d'environ 24 à 300 GHz. Pour la 5G, la partie «basse fréquence» de cette gamme sera utilisée, en particulier, des bandes de fréquences spécifiques ont déjà été attribuées, par exemple, 26,50-29,50 GHz (n257), 24,25-27,50 GHz (n258). En Russie, un intervalle de 25,25 à 29,50 GHz a été attribué aux tests 5G.



En plus des fréquences «hautes» mmWave en 5G, des fréquences inférieures à 6 GHz seront également utilisées, elles sont sous-6 (par exemple, en Europe et, espérons-le, en Russie, c'est 3,4-3,8 GHz) - elles sont principalement destinées à fournir une couverture plus large que dans le cas de la plage millimétrique, c'est-à-dire pour la construction de macro-réseaux; des vitesses de plusieurs dizaines de gigabits par seconde, comme en mmWave, sont hors de question. Les deux bandes seront utilisées pour transmettre des ondes radio 5G NR; Dans ce cas, NR est New Radio, c'est-à-dire un nouveau protocole d'échange entre la station de base et le terminal.

Alors, quelle est la difficulté avec la gamme millimétrique? MmWave ne contredit pas les lois de la physique, mais il était vraiment difficile de l'implémenter dans un appareil compact comme un smartphone. Le fait est que les modems qui prennent en charge à la fois Sub-6 et mmWave ne sont pas un appareil fini, comme l'imagine la personne moyenne, mais seulement un modulateur / démodulateur au sens classique. Et il y a aussi des modules radio - c'est-à-dire des amplificateurs, des filtres passe-bande, etc., qui étaient simplement considérés comme impossibles à mettre en œuvre sous la forme d'un smartphone en raison de la taille, du poids et de la consommation d'énergie.

En général, les fréquences supérieures à 24 GHz sont utilisées depuis longtemps dans les communications radio, par exemple pour les lignes de relais radio fonctionnant en visibilité directe, les canaux satellites et les solutions fixes similaires. Le mot clé est fixe, car les équipements fixes n'ont aucune restriction sur la taille et le poids, ainsi que sur la consommation d'énergie et, bien sûr, peuvent être installés de manière à fournir cette ligne de visée.

Ces hautes fréquences se caractérisent par une atténuation importante du signal avec une distance croissante, ainsi qu'une plus grande sensibilité aux obstacles: le corps humain, la tête et même la main peuvent devenir un obstacle insurmontable à la propagation des ondes, mais il n'y a rien à dire sur la capacité de pénétrer dans les bâtiments. Par conséquent, les ondes millimétriques n'ont jamais été utilisées pour les communications mobiles. On pensait que, dans les dimensions du téléphone, toute solution ne fournirait pas une communication stable, ou mangerait instantanément la batterie, et probablement les deux en même temps.



Recherche d'un prototype de modem mmWave (à gauche) 5G et d'un smartphone de référence dans lequel vous pouvez intégrer un modem 5G commercial avec prise en charge mmWave

Le deuxième obstacle à l'introduction de mmWave dans les smartphones était que cette technologie implique une installation extrêmement dense des stations de base: beaucoup pensent que presque dans chaque pièce du bâtiment et en ville - sur chaque lampadaire avec un intervalle de 150-200 mètres chacun il devrait y avoir une station de base les unes des autres afin que l'utilisation de la plage millimétrique soit au moins logique. Et puisque les opérateurs s'en rendent compte très bientôt, il n'est pas nécessaire d'intégrer la prise en charge de ces gammes dans les smartphones.

Cependant, les ingénieurs de Qualcomm pensent que les stations de base mmWave sont nécessaires, dans l'ensemble, uniquement pour fournir une couverture intérieure: vous n'avez pas besoin d'accrocher un 5G BS sous chaque buisson, LTE BS et plus tard Sub-6, suffira pour les revêtements de sol en moquette nécessitant une densité d'installation beaucoup plus faible (et ici, c'est un péché de ne pas rappeler les statistiques des opérateurs mobiles, qui indiquent que jusqu'à 80% du trafic de données est généré à partir des locaux).

À qui est le problème et à qui incombe la tâche

En 2017, Qualcomm a présenté un prototype fonctionnel d'un système de transmission de données fonctionnant en mmWave à des fréquences de 28 GHz dans les dimensions d'un appareil mobile au MWC de Barcelone.

Grâce à l'utilisation du bimformage et du bimtracking adaptatifs (formant un «faisceau» directionnel du signal entre l'appareil client et la station de base et suivant son mouvement par rapport à la BS), il a été possible d'obtenir une connexion stable à l'intérieur de la voiture en mouvement dans l'immeuble de bureaux (avec le signal passant à travers les murs non capitaux) avec commutation instantanée du «faisceau» »Vers une autre station de base et protection contre le blocage du" faisceau "par le corps ou la main avec lequel l'abonné tient le smartphone. Des réseaux d'antennes avec des facteurs d'amplification élevés sont utilisés pour former un faisceau dans un espace tridimensionnel à la fois sur la station de base et sur l'appareil mobile: de 128 à 256 éléments ou plus sur la BS et de 4 à 32 sur le terminal d'abonné. Dans ce cas, le faisceau peut être indirect: les réseaux d'antennes le contrôlent en tenant compte de la réflexion des ondes des objets environnants. En gros, un obstacle est apparu (ou même l'utilisateur a intercepté son smartphone différemment) - et le faisceau vers le BS n'est pas allé directement, mais avec une réflexion du mur le plus proche.



La solution pour la plage millimétrique est basée sur le modem Snapdragon X50 5G, qui prend en charge l'installation de plusieurs réseaux d'antennes sous les panneaux avant et arrière du smartphone, ce qui crée un revêtement presque sphérique et élimine ainsi le problème de l'ombrage à la main en tenant le smartphone

Les modules sont équipés d'un émetteur-récepteur intégré, d'un circuit de gestion de l'alimentation intégré, de composants radio des étages d'entrée et de la prise en charge d'antennes multiéléments. Le module QTM052 prend en charge l'agrégation jusqu'à 800 MHz (8x100) dans les gammes de fréquences 26,5–29,5 GHz (n257), 27,5–28,35 GHz (n261) et 37–40 GHz (n260). Les modules QPM5650, QPM5651, QDM5650 et QDM5652 prennent en charge la commutation SRS intégrée nécessaire pour optimiser les applications MIMO massives. Ils fonctionnent dans les gammes de fréquences 3,4–4,2 GHz (n77), 3,3–3,8 GHz (n78) et 4,4–5,0 GHz (n79) et peuvent utiliser le spectre 100 MHz. La série QPM diffère de la série QDM par la présence d'un amplificateur de puissance (PA) intégré. Des échantillons des modules d'antenne QTM052 mmWave et des modules radio QPM56xx sont actuellement envoyés aux clients.

Solution commercialisée

Les anciens se souviennent qu'il y a trente ans, ils parlaient de la même chose à propos du CDMA: ils disent que ce sera trop difficile ou ne fonctionnera pas du tout, faisons un GSM simple et maladroit. Cependant, Qualcomm a réussi à mettre en œuvre le CDMA dans les appareils mobiles et le même CDMA-800 dans les années 90 (répandu aux États-Unis, en Corée et dans un certain nombre d'autres pays) a dépassé le GSM à tous égards. Quand est venu le temps de désactiver les réseaux analogiques, par exemple le NMT-450, ils ont également remplacé le CDMA - à propos, en Russie, Sky Link dans le CDMA-450 est devenu le premier opérateur mobile à large bande: au début de zéro, il y avait déjà quelques mégabits par seconde. tandis que les opérateurs GSM commençaient à peine à lancer EDGE. Et dans le même zéro, lorsqu'ils ont développé la 3G (UMTS), ils ont pris la technologie mise en œuvre par Qualcomm en 1989 comme base: WCDMA (Wideband CDMA) est, en fait, le même CDMA, n'utilisant qu'une large bande de fréquences pour le transfert de données à haute vitesse.

Maintenant, la situation se répète. Cet été, des prototypes avec prise en charge de wwWave ont pris forme dans une solution commerciale prête à l'emploi pour smartphones 5G, grâce à laquelle les premiers appareils série seront commercialisés l'année prochaine. Ce sont les premiers modules 5G NR QTM052 entièrement intégrés pour modules mmWave et radio prenant en charge des fréquences jusqu'à 6 GHz QPM56xx. Ils sont compatibles avec les modems Qualcomm Snapdragon X50 5G et, en fait, sont les seules choses qui doivent être installées entre le modem et l'antenne, et le modem prend en charge jusqu'à quatre de ces modules en même temps, ce qui vous permet d'utiliser différentes gammes de fréquences.

En général, nous attendons vraiment avec impatience 2019, qui promet d'être brillant pour les événements du monde 5G.