5G-Kommunikationstechnologien versprechen das sofortige Herunterladen von Videoinhalten auf mobile Geräte, Online-Spiele mit minimalen Verzögerungen, Videokommunikation ohne Unordnung und Quadrate und viele andere reizvolle Dinge. Dazu gehören intelligente Fabriken, intelligente Autopilotautos und -züge sowie unzählige IoT-Geräte, die das menschliche Leben in jeder Ecke des Planeten verbessern. Einer der 5G-bezogenen Bereiche, in denen Toshiba-Ingenieure arbeiten, sind ultraschnelle drahtlose Technologien. Durch ihre zukünftige Implementierung entfällt die Notwendigkeit, ein Glasfaserkabel zwischen Basisstationen von Netzen der fünften Generation zu verlegen. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie wir es geschafft haben, eine drahtlose Verbindung mit einer Geschwindigkeit von 20 Gbit / s zu implementieren.
Wie funktioniert es jetzt?
Das Kommunikationssystem der fünften Generation besteht aus Teilnehmergeräten, die unter Verwendung von Funktechnologien (Verbindung auf Verbindungsebene) eine Verbindung zu Basisstationen herstellen, Basisstationen, die ein Signal vom Teilnehmergerät an den Netzwerkkern (Transitverbindung) senden, und dem Netzwerkkern selbst, in dem Die Verarbeitung wird durchgeführt. Signale und Weiterleitung von Datenströmen von Teilnehmer zu Teilnehmer und von Teilnehmer zu Internet.
Das Standardschema des Mobilfunknetzes. Quelle (im Folgenden): Toshiba
Der Kern des Netzwerks empfängt Daten und bietet Sicherheitsmanagement. Eine Unterbrechung der Verbindung zwischen der Basisstation und dem Kern des Netzwerks führt zu einer Unterbrechung der Verbindung. Daher muss die Backhaul-Verbindung sehr zuverlässig sein und eine hohe Geschwindigkeit aufrechterhalten, damit es nicht zu Verzögerungen kommt.
Als Toshiba 2016 erstmals mit der Erhöhung der 5G-Geschwindigkeit begann, konzentrierte sich der größte Teil der Forschung in diesem Bereich auf die Verbesserung der Geschwindigkeit des Zugangskanals. Die ultrahohe Geschwindigkeit von 5G erfordert jedoch die gleichzeitige Erhöhung der Bandbreite sowohl des Zugangskanals als auch des Backhaul-Kanals.
Was wird angeboten?
Traditionell wurden Backhaul-Verbindungen unter Verwendung von Glasfasern implementiert. Im Vergleich zu anderen Ländern verfügt Japan über viele Glasfasernetzwerke, aber die Verlegung in Berggebieten ist schwierig und sehr teuer. Um eine 5G-Kommunikation in den Bergen zu gewährleisten, müssten in solchen Gebieten neue Basisstationen installiert werden, was die Kosten weiter erhöhen würde . Daher konzentrierten sich die Ingenieure von Toshiba darauf, Glasfaser-Backhaul-Verbindungen durch drahtlose zu ersetzen.
Drahtloses Backhaul-Netzwerk
Die Frage war, wie die für 5G-Netze erforderliche ultrahohe Geschwindigkeit erreicht werden kann. Die gebräuchlichste aller Methoden besteht darin, die Geschwindigkeit durch Erweitern der Bandbreite zu erhöhen. Frequenzen für 3G und 4G reichen dafür nicht mehr aus. Es war notwendig, sich zu höheren Frequenzen zu bewegen - zu Millimeterwellen.
Schwierigkeiten beim Übergang zum Millimeter
Millimeterwellen ab 28 GHz wurden noch nie für die Mobilkommunikation verwendet. Das Hauptproblem der Entwickler besteht darin, dass Millimeterwellen nur eine kurze Strecke zurücklegen können. Die ersten Versuche, sie einzusetzen, waren ein Kampf, um sicherzustellen, dass sie mindestens einen Kilometer lang sind. Der Aufbau eines Netzwerks, in dem sich viele Basisstationen nahe beieinander befinden, erfordert enorme Infrastrukturkosten. Dadurch werden die Einsparungen durch den Ersatz von Glasfaserverbindungen durch drahtlose Verbindungen zunichte gemacht.
Um die Kommunikationsqualität und die Datenübertragungsraten zu verbessern, entschied sich das Toshiba-Team für die Verwendung der MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output). MIMO verwendet mehrere Antennen am Sender und Empfänger, um die Geschwindigkeit durch gleichzeitiges Senden mehrerer Signale zu erhöhen. Funkwellen prallen von Gebäuden und anderen physischen Hindernissen ab und erreichen die Empfangsantennen in verschiedenen Winkeln. Die MIMO-Technologie bietet eine schnelle und stabile Kommunikation in diesen Umgebungen, indem Reflexionen von Funkwellen verwendet werden, um die Leistung zu verbessern.
Unter bergigen Bedingungen sollten die Antennen jedoch an den höchsten Punkten installiert werden, was bedeutete, dass es praktisch keine physischen Hindernisse für die Reflexion von Radiowellen gab. Die zweite Schwierigkeit war die Notwendigkeit, die Millimeterwellen in einen schmalen Strahl zu fokussieren, um die Entfernung stabiler Kommunikation zu vergrößern. Dies reduzierte die Reflexion weiter.
Angesichts der beschriebenen Einschränkungen hat es sich als schwierig erwiesen, die Vorteile von MIMO zur Steigerung von Geschwindigkeit und Durchsatz zu nutzen. Um das Problem zu lösen, entschieden sich die Ingenieure von Toshiba für die Verwendung der Polarized MIMO-Technologie (Polarized MIMO), die die Signalübertragung stabilisiert und beschleunigt, indem Funkwellen in Wellen mit vertikaler und horizontaler Polarisation getrennt werden.
Verwendung von polarisiertem MIMO für den Backhaul
Durch Aufteilen des Signals in zwei Wellen können zwei unabhängige Verbindungen hergestellt werden, und es wird eine stabile Verbindung mit doppelter Geschwindigkeit hergestellt. Toshiba war nicht das erste Unternehmen, das versuchte, mit Polarized MIMO einen Kommunikationskanal zu organisieren. Alle Forscher berichteten jedoch, dass sie bei Entfernungen von mehr als einem Kilometer keine ausreichend hohe Übertragungsgeschwindigkeit liefern konnten: Das nächste Problem war nicht die Signaldämpfung, sondern a große Menge an Störungen.
Bei der Übertragung von Signalen mit einer Standardgeschwindigkeit von 5 G von 20 Gbit / s ist das Volumen der übertragenen Informationen viel größer als in Netzwerken der vorherigen Generation. Das Senden großer Datenmengen führt dazu, dass selbst geringste Interferenzen ein Problem darstellen, insbesondere bei Bedingungen mit großer Bandbreite im Millimeterwellenbereich. Bei Verwendung von polarisiertem MIMO war eine Korrektur der Breitbandverzerrung erforderlich. Breitbandverzerrungskorrekturtechnologien waren Vorreiter im digitalen TV-Rundfunk, an dem Toshiba seit über 20 Jahren in der Forschung und Entwicklung von digitalem Rundfunk und drahtlosen LANs beteiligt ist.
Die Kombination von polarisierten MIMO- und Breitband-Verzerrungskorrekturmethoden war ein Durchbruch: Tests zeigten, dass die Technologie zur Organisation von drahtlosen Backhaul-Verbindungen in einer 5G-Umgebung fast einsatzbereit ist - zumindest unter Laborbedingungen funktionierte alles perfekt. Es blieb die Durchführung von Feldversuchen auf freiem Feld, aber dies hatte auch Schwierigkeiten: Für die Übertragung von Millimeterwellenwellen war nach japanischem Recht eine Genehmigung erforderlich, und es ist äußerst schwierig, diese zu erhalten. In diesem Zusammenhang wurde beschlossen, im britischen Forschungs- und Innovationslabor Bristol, das von Toshiba Europe betrieben wird, Feldtests in Großbritannien durchzuführen.
Feldversuche
Um die Entwicklung zu testen, wurde der Sender auf dem Dach der Universität von Bristol installiert, und der Empfänger wurde in einem 900 Meter entfernten Gebäude installiert. Um eine tatsächliche Entfernung von fünf Kilometern zu simulieren, wurde auf der Empfängerseite ein Dämpfungsglied installiert.
Position des Senders und Empfängers am Boden
Vor den Experimenten musste eine klare Fokussierung von Sender und Empfänger sichergestellt werden. Es musste mit dem Auge gemacht werden, und es war nicht einfach, da selbst Scheinwerfer schwer zu fokussieren sind und Radiowellen ebenfalls unsichtbar sind. Außerdem musste das Gerät jeden Tag morgens installiert und neu konfiguriert und abends vom Dach entfernt werden.
Fotos vom Feldtestgelände mit Supergeschwindigkeiten für 5G
Drei Tage vor dem geplanten Ende ihres Aufenthalts in Großbritannien erreichten die Forscher schließlich eine stabile Geschwindigkeit von 20 Gbit / s.
Was in Zukunft zu erwarten ist
Nach der Präsentation der Technologie auf einer wissenschaftlichen Konferenz im Dezember 2019 arbeitete das Toshiba-Team weiter daran, die experimentellen Designs kommerziell nutzbar zu machen. Dies erfordert die Berücksichtigung vieler Faktoren, beispielsweise des Einflusses von Wind und Regen, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Die Entwicklung der Mobilfunktechnologie schreitet stetig voran. Ingenieure schauen bereits über 5G hinaus und diskutieren einen Übergang zu 6G in den 2030er Jahren. Die mobile Abdeckung soll in der 6G-Ära den Weltraum erreichen. Toshiba wird in diesem Prozess mit anderen zusammenarbeiten, um Technologien für Menschen auf der ganzen Welt zu entwickeln, die eine stabile Hochgeschwindigkeitskommunikation über große Entfernungen ermöglichen, wo immer Sie sich befinden.