mmWave в смартфонах: как Qualcomm сделал невозможное возможным
Компания Qualcomm недавно представила первые в мире полностью интегрированные радиочастотные модули 5G NR (mmWave) и sub-6 ГГц для мобильных устройств. До настоящего времени сигналы mmWave не использовались для мобильной связи из-за многочисленных технических сложностей. Поэтому многие в отрасли были уверены, что это попросту невозможно. О том, как преодолевались трудности и какое влияние миллиметровой диапазон окажет на 5G — в нашем обзоре ниже.
К 2020 году мобильный трафик передачи данных во всем мире вырастет по сравнению с 2014 годом в 30 раз и составит 8 миллиардов гигабайт в день. 75% этого трафика придётся на стриминг мультимедийных данных, следует из прогноза Nokia Bell Labs, опубликованного в 2016 году и пока что сбывающегося. При этом более 86% пользователей смартфонов, по результатам опросов, хотели бы, чтобы в следующем смартфоне, который они купят, интернет работал бы быстрее, а 50% готовы приобрести смартфон с 5G, когда он будет доступен.
Сети пятого поколения уже на подходе. Они обеспечат в 10 раз более высокие скорости передачи данных по сравнению с LTE и в 10 раз более быстрый отклик (под быстрым откликом в отчётах понимают меньшие пинги), но пока что очень многие производители мобильных устройств рассчитывали на то, что 5G будет использоваться для интернета вещей, для приложений удалённого управления, для виртуальной реальности — в общем, для чего угодно, только не для обычных потребительских устройств, которые мы носим каждый день с собой: смартфонов и планшетов. Тому есть две фундаментальных причины.
В чём проблемы?
Все преимущества 5G в виде огромных скоростей передачи пользовательских данных и низких пингов и принципиально бо́льшая ёмкость сети, позволяющая обеспечить такой уровень сервиса огромному количеству абонентов одновременно, реализуемы не при помощи какого-то волшебства, а в первую очередь за счёт использования на порядки более широкой полосы частот по сравнению с тем же LTE. Где взять эти частоты, в общем-то, тоже понятно: нужно использовать всё более и более высокие диапазоны. Так и добрались до миллиметровых волн (чем выше частота, тем меньше длина волны, это мы помним ещё из школьного курса физики) или mmWave: так принято называть диапазон примерно от 24 до 300 ГГц. Для 5G будет использоваться «низкочастотная» часть этого диапазона, в частности, уже выделены конкретные полосы частот, например, 26,50–29,50 ГГц (n257), 24,25–27,50 ГГц (n258). В России для тестирования 5G был выделен интервал 25,25–29,50 ГГц.
Одновременно с «высокими» частотами mmWave в 5G будут также использоваться частоты ниже 6 ГГц, они же Sub-6 (например, в Европе и, надеемся, в России это 3,4–3,8 ГГц) — они предназначены в первую очередь для обеспечения более широкого, чем в случае миллиметрового диапазона, покрытия, то есть для строительства макросетей; о скоростях в несколько десятков гигабит в секунду, как в mmWave, тут речи не идёт. Оба диапазона будут использоваться для передачи радиоволн 5G NR; NR в данном случае — это New Radio, то есть, новый протокол обмена между базовой станцией и конечным устройством.
Так в чем же сложность с миллиметровым диапазоном? Законам физики mmWave не противоречит, но его действительно сложно было реализовать в компактном устройстве типа смартфона. Дело в том, что модемы, поддерживающие и Sub-6, и mmWave — это не законченное готовое устройство, каким его представляет себе обыватель, а только модулятор/демодулятор в классическом понимании. А есть ещё радиомодули — то есть, усилители, полосовые фильтры и т.п., которые как раз и считались невозможными для реализации в форм-факторе смартфона из-за размера, веса и энергопотребления.
Вообще, частоты выше 24 ГГц использовались в радиосвязи достаточно давно, например, для радиорелейных линий, работающих на расстоянии прямой видимости, спутниковых каналов и тому подобных фиксированных решений. Ключевое слово — фиксированных, поскольку стационарное оборудование не имеет ограничений по размерам и весу, а также энергопотреблению и, конечно, может быть установлено таким образом, чтобы эту прямую видимость обеспечить.
Для столь высоких частот характерно значительное затухание сигнала с увеличением расстояния, а также большая чувствительность к препятствиям: человеческое тело, голова и даже рука могут стать непреодолимой помехой для распространения волн, а про способность проникать внутрь зданий и говорить нечего. Поэтому для мобильной связи миллиметровые волны никогда не использовались. Считалось, что в габаритах телефона любое решение или не обеспечит стабильной связи, или будет моментально съедать заряд батареи, а вероятнее всего, и то, и другое одновременно.
Исследовательский прототип модема mmWave (слева) 5G и референсный смартфон, в который можно встроить коммерческий 5G-модем с поддержкой mmWave
Второй барьер на пути внедрения mmWave в смартфоны заключался в том, что эта технология подразумевает крайне плотную установку базовых станций: многие считают, что чуть ли не в каждой комнате в здании, а в городе — на каждом фонарном столбе с интервалом 150–200 метров друг от друга должна быть базовая станция, чтобы использование миллиметрового диапазона имело хоть какой-то смысл. А поскольку операторы реализуют это очень нескоро, то и встраивать поддержку этих диапазонов в смартфоны не нужно.
Однако инженеры Qualcomm считают, что базовые станции mmWave нужны, по большому счету, только для обеспечения indoor-покрытия: не нужно вешать БС 5G под каждым кустом, для «коврового» покрытия на первых порах достаточно будет БС LTE, а позднее — Sub-6, требующих гораздо меньшей плотности установки (и тут грех не вспомнить статистику сотовых операторов, гласящую, что до 80% трафика передачи данных генерируется из помещений).
Кому проблема, а кому задача
В 2017 году на MWC в Барселоне Qualcomm показал работающий прототип системы передачи данных, работающей в mmWave на частотах 28 ГГц, в габаритах мобильного устройства.
Благодаря использованию адаптивного бимформинга и бимтрекинга (формирования направленного «луча» сигнала между клиентским устройством и базовой станцией и отслеживания перемещения его относительно БС) удалось добиться стабильного соединения внутри движущегося автомобиля, в офисном здании (с прохождением сигнала через некапитальные стены) с мгновенным переключением «луча» на другую базовую станцию и защитой от блокировки «луча» телом или рукой, которой абонент держит смартфон. Для формирования луча в трёхмерном пространстве и на базовой станции, и на мобильном устройстве используются антенные массивы с высокими коэффициентами усиления: от 128-ми до 256-ти и более элементов на БС и от 4-х до 32-х — на абонентском терминале. Луч при этом может быть непрямым: антенные решётки управляют им с учётом переотражения волн от окружающих объектов. Грубо говоря, появилось препятствие (или даже пользователь по-другому перехватил свой смартфон) — и луч до БС пошёл не напрямую, а с отражением от ближайшей стены.
Решение для миллиметрового диапазона реализовано на базе 5G-модема Snapdragon X50, поддерживающего установку нескольких антенных массивов под передней и задней панелями смартфона, которые создают практически сферическое покрытие и тем самым ликвидируют проблему затенения от руки, держащей смартфон
Модули оснащены встроенным трансивером, интегральной схемой управления питанием, радиокомпонентами входных каскадов и поддержкой фазированных антенных решеток. Модуль QTM052 поддерживает агрегацию до 800 МГц (8×100) в частотных диапазонах 26,5–29,5 ГГц (n257), 27,5–28,35 ГГц (n261) и 37–40 ГГц (n260). Модули QPM5650, QPM5651, QDM5650 и QDM5652 поддерживают интегрированную SRS-коммутацию, необходимую для оптимизации применений технологии Massive MIMO. Они работают в диапазонах частот 3,4–4,2 ГГц (n77), 3,3–3,8 ГГц (n78) и 4,4–5,0 ГГц (n79) и могут использовать 100 МГц спектра. Серия QPM отличается от серии QDM наличием встроенного усилителя мощности (PA). Образцы антенных модулей QTM052 mmWave и радиомодулей QPM56xx в данный момент находятся на стадии отправки клиентам.
Готовое к коммерциализации решение
Старожилы помнят, что тридцать лет назад примерно то же самое говорили про CDMA: мол, это будет слишком сложно или вообще не будет работать, давайте сделаем простой и топорный GSM. Однако у Qualcomm тогда получилось реализовать CDMA в мобильных устройствах и тот же CDMA-800 в девяностых (распространившийся в США, Корее и ряде других стран) по всем параметрам превосходил GSM. Когда пришло время сворачивать аналоговые сети, например, NMT-450, им на замену тоже пришёл CDMA — кстати, в России «Скай Линк» в CDMA-450 стал первым оператором мобильного ШПД: в начале нулевых там уже были скорости в пару мегабит в секунду, в то время как GSM-операторы едва начинали запускать EDGE. И в тех же нулевых, когда разрабатывали 3G (UMTS), за основу взяли технологию, реализованную Qualcomm ещё в 1989 году: WCDMA (Wideband CDMA) — это, по сути, тот же CDMA, только использующий широкую полосу частот для высокоскоростной передачи данных.
Теперь ситуация повторяется. Этим летом прототипы с поддержкой wwWave оформились в готовое коммерческое решение для 5G-смартфонов, благодаря которому уже в следующем году выйдут первые серийные устройства. Это первые полностью интегрированные модули 5G NR QTM052 для mmWave и радиомодули с поддержкой частот до 6 ГГц QPM56xx. Они совместимы с 5G-модемами Qualcomm Snapdragon X50 и по сути представляют собой единственное, что нужно установить между модемом и антенной, причём модем поддерживает до четырёх таких модулей одновременно, что позволит задействовать различные диапазоны частот.
В общем мы очень ждем 2019 год, который обещает быть ярким на события в мире 5G.
