Распространение смартфонов и планшетных компьютеров,
использующих для подключения к Интернету интенсивно различные протоколы
беспроводной радиосвязи, обеспечивает кардинальное увеличение нагрузки на
существующие беспроводные сети, а увеличение пропускной способности канала
требует экспоненциального расширения полосы используемого этим каналом
радиочастот. Тем не менее, необходимость увеличения скорости загрузок,
повышения качества работы многих сервисов и распространение "армии"
подключенных к Интернету устройство, известных под термином "Интернет
вещей", требуют постоянного увеличения пропускной способности каналов,
что, в свою очередь, требует от инженеров принципиально новых решений.
Для того, чтобы решить проблему поддержки стандартов
следующего поколения мобильных коммуникационных 5G-технологий, исследователи из
Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of
Standards and Technology, NIST) разработали ряд новых измерительных
инструментов, предназначенных для работы с коммуникационными каналами
диапазона, нового для систем мобильной связи. И использование этих диапазонов
позволит увеличить минимум в 1000 раз ширину каналов цифровых мобильных сетей
следующего поколения.
Свободная часть спектра, куда могут двигаться инженеры,
разрабатывающие коммуникационное оборудование, находится в более
высокочастотной области. Мобильные устройства и устройства Wi-Fi, как правило,
работают на частотах ниже 3 ГГц. Некоторые из устройств нового поколения
осваивают диапазон в районе 10 ГГц, а исследователи из NIST
"забрались" гораздо выше, в район 100 ГГц и дальше.
Метрологическая инфраструктура, на базе которой будут
строиться все стандарты высокочастотных радиокоммуникаций, в настоящее время
является еще неполной. Использование более высоких частот требует от
метрологического оборудования и испытательных стендов большей точности,
которая, в свою очередь, обеспечит выбор оптимальных режимов работы мобильных
устройств и позволит избавиться от ошибок приема-передачи информации. Помимо
этого, физика распространения высокочастотных радиоволн миллиметрового
диапазона несколько отличается от физики распространения более низкочастотных
волн, модели высокочастотных каналов являются более сложными и это также будет
необходимо учитывать в метрологическом оборудовании.
Возможные решения в обеспечении надежной работы систем
коммуникаций миллиметрового диапазона заключаются в создании сложных матричных
антенн, которые имеют возможность создавать несколько направленных лучей,
передающих данные на мобильные устройства, положение которых отслеживается в
режиме реального времени. Такой подход позволяет максимально эффективно
использовать мощности радиопередатчиков и минимизировать помехи, оказываемые на
соседние устройства.
Для настройки подобных антенн требуются источники
калиброванных модулированных сигналов, и такой источник был создан группой из
NIST, руководимой Кейт Рэмли (Kate Remley). Этот источник служит для калибровки
и тестирования электронных компонентов и узлов, работающих в миллиметровом
диапазоне, таких, как волноводы, детекторы, усилители и т.п. В особых режимах
этот источник позволяет полностью моделировать распространение высокочастотных
сигналов так, будто бы это происходит в естественной окружающей среде. Этот
источник работает в диапазоне от 44 до 94 ГГц, позволяя проводить
количественные и качественные измерения многих параметров устройств радиосвязи,
а изготовлен он на обычной элементной базе, так что другие производители смогут
без труда повторить его конструкцию и использовать его по своему усмотрению.
Вторым устройством, которое сейчас разрабатывают
исследователи из NIST, является своего рода тестер, также работающий в
миллиметровом диапазоне, который способен измерять нелинейности характеристик
транзисторов и усилителей, которые будут использоваться в приемниках,
передатчиках и в других узлах, работающих в миллиметровом диапазоне.
В конце концов группа NIST планирует создать законченный
комплекс метрологической, измерительной и калибровочной техники, который
обеспечит проведение анализа рассеивания, отражений и других параметров
распространения высокочастотных радиосигналов. Это, в свою очередь, будет
использовано для расчетов характеристик антенн, для разработки и создания помехозащищенных
протоколов радиосвязи, гарантирующих отсутствие ошибок, что станет основой
новых цифровых сетей мобильной связи следующих поколений.
