As tecnologias de comunicação 5G prometem downloads instantâneos de conteúdo de vídeo para dispositivos móveis, jogos online com atrasos mínimos, comunicação de vídeo sem confusão e quadrados e muitas outras coisas deliciosas. Isso inclui fábricas inteligentes, carros e trens de piloto automático inteligentes e incontáveis dispositivos IoT que melhoram a vida humana em todos os cantos do planeta. Uma das áreas relacionadas ao 5G em que os engenheiros da Toshiba trabalham são as tecnologias sem fio ultrarrápidas. Sua implementação no futuro eliminará a necessidade de instalar um cabo de fibra ótica entre as estações base das redes de quinta geração. Neste post, contaremos como conseguimos implementar uma conexão wireless com velocidade de 20 Gbps.
Como funciona agora?
O sistema de comunicação de quinta geração consiste em dispositivos de assinante que se conectam a estações de base usando tecnologias sem fio (link de nível de acesso), estações de base que transmitem um sinal do dispositivo de assinante para o núcleo da rede (link de trânsito) e o próprio núcleo de rede, no qual o processamento é executado, sinais e roteamento de fluxos de dados de assinante para assinante e de assinante para a Internet.
O esquema padrão da rede celular. Fonte (doravante): Toshiba
O núcleo da rede recebe dados e fornece gerenciamento de segurança. A interrupção do link entre a estação base e o núcleo da rede causará uma interrupção na conexão, portanto, a conexão de backhaul deve ser muito confiável e manter uma alta velocidade para que não haja atrasos.
Em 2016, quando a Toshiba começou a trabalhar no aumento das velocidades 5G, a maior parte das pesquisas nessa área se concentrou em melhorar a velocidade do canal de acesso. No entanto, a velocidade ultra-alta de 5G requer o aumento simultâneo da largura de banda do canal de acesso e do canal de backhaul.
O que está em oferta?
Tradicionalmente, as conexões de backhaul são implementadas usando fibra óptica. Em comparação com outros países, o Japão tem muitas redes de fibra óptica, mas colocá-las em áreas montanhosas é difícil e muito caro, e para fornecer comunicações 5G nas montanhas, novas estações base teriam que ser instaladas nessas áreas, o que aumentaria ainda mais os custos . Portanto, os engenheiros da Toshiba se concentraram em substituir links de backhaul de fibra por links sem fio.
Rede de backhaul sem fio
A questão era como alcançar a velocidade ultra-alta necessária para redes 5G. O mais comum de todos os métodos é aumentar a velocidade expandindo a largura de banda. As frequências para 3G e 4G não são mais suficientes para isso. Era necessário passar para frequências mais altas - para ondas milimétricas.
Dificuldades de transição para milímetro
Ondas milimétricas de 28 GHz nunca foram usadas para comunicações móveis antes. O principal problema enfrentado pelos desenvolvedores é que as ondas milimétricas só podem percorrer uma curta distância. As primeiras tentativas de usá-los foram uma luta para garantir que terminassem a pelo menos um quilômetro. Construir uma rede na qual muitas estações base estão localizadas próximas umas das outras exigirá enormes custos de infraestrutura e isso anulará a economia com a substituição de links de fibra por wireless.
Para melhorar a qualidade da comunicação e as taxas de transferência de dados, a equipe da Toshiba decidiu usar a tecnologia Multiple Input Multiple Output (MIMO). O MIMO usa várias antenas no transmissor e no receptor para aumentar a velocidade, transmitindo vários sinais ao mesmo tempo. As ondas de rádio ricocheteiam em edifícios e outros obstáculos físicos e atingem as antenas receptoras em ângulos diferentes. A tecnologia MIMO fornece comunicações rápidas e estáveis nesses ambientes, usando reflexos de ondas de rádio para melhorar o desempenho.
Porém, em condições de terreno montanhoso, as antenas foram planejadas para serem instaladas nos pontos mais altos, o que significava que praticamente não existiam obstáculos físicos ao reflexo das ondas de rádio. A segunda dificuldade era a necessidade de concentrar as ondas milimétricas em um feixe estreito para aumentar a distância de comunicação estável. Isso reduziu ainda mais o reflexo.
Dadas as limitações descritas, tirar proveito das vantagens do MIMO para aumentar a velocidade e o rendimento provou ser difícil. Para resolver o problema, os engenheiros da Toshiba decidiram usar a tecnologia Polarized MIMO (Polarized MIMO), que estabiliza e acelera a transmissão do sinal, separando as ondas de rádio em ondas com polarização vertical e horizontal.
Usando MIMO polarizado para backhaul
Dividir o sinal em duas ondas permite que duas conexões independentes sejam estabelecidas e fornece um link estável com o dobro da velocidade. A Toshiba não foi a primeira empresa a tentar usar o Polarized MIMO para organizar um canal de comunicação, mas todos os pesquisadores relataram que não podiam fornecer uma velocidade de transmissão suficientemente alta em distâncias de mais de um quilômetro: o próximo problema não era a atenuação do sinal, mas um grande quantidade de interferência.
Ao transmitir sinais a uma velocidade padrão de 5G de 20 Gbit / s, o volume de informações transmitidas é muito maior do que nas redes da geração anterior. O envio de grandes quantidades de dados leva ao fato de que mesmo a menor interferência é um problema, especialmente em condições de ampla largura de banda na faixa de ondas milimétricas. A correção da distorção de banda larga foi necessária ao usar o Polarized MIMO. As tecnologias de correção de distorção de banda larga foram pioneiras na transmissão de TV digital, na qual a Toshiba está envolvida há mais de 20 anos na pesquisa e desenvolvimento de transmissão digital e LANs sem fio.
A combinação de Polarized MIMO e métodos de correção de distorção de banda larga foi um grande avanço: os testes mostraram que a tecnologia de organização de links de backhaul sem fio está quase pronta para uso em um ambiente 5G - pelo menos em condições de laboratório tudo funcionou perfeitamente. Faltava fazer testes de campo em área aberta, mas isso também apresentava dificuldades: para a transmissão de ondas milimétricas, segundo a legislação japonesa, era necessário obter uma licença e é extremamente difícil obtê-la. Neste sentido, optou-se pela realização de testes de campo no Reino Unido, no laboratório Bristol Research & Innovation, gerido pela Toshiba Europe.
Teste de campo
Para testar o desenvolvimento, o transmissor foi instalado no telhado da Universidade de Bristol e o receptor em um prédio a 900 metros de distância. Para simular uma distância real de cinco quilômetros, um atenuador foi instalado no lado do receptor.
Localização do transmissor e do receptor no solo
Antes dos experimentos, era necessário garantir um foco claro do transmissor e do receptor. Tinha que ser feito a olho nu e não era fácil, pois até os holofotes são difíceis de focar e as ondas de rádio também são invisíveis. Além disso, todos os dias pela manhã era necessário instalar e reconfigurar o equipamento e à noite retirá-lo do telhado.
Fotos do site de teste de campo de supervelocidade para 5G
Três dias antes do final planejado de sua estadia no Reino Unido, os pesquisadores finalmente alcançaram uma velocidade estável de 20 Gbps.
O que esperar no futuro
Após a apresentação da tecnologia em uma conferência científica em dezembro de 2019, a equipe da Toshiba continuou a trabalhar para tornar os designs experimentais comercialmente exploráveis. Isso requer levar em consideração muitos fatores, por exemplo, a influência do vento e da chuva, temperatura e umidade.
A evolução da tecnologia sem fio móvel está avançando constantemente. Os engenheiros já estão olhando além do 5G e estão discutindo uma transição para o 6G nos anos 2030. A cobertura móvel é projetada para alcançar o espaço sideral na era 6G. A Toshiba trabalhará com outras pessoas neste processo para criar tecnologias para pessoas em todo o mundo, a fim de fornecer comunicações estáveis e de alta velocidade em longas distâncias, onde quer que você esteja.