По крайней мере, 8 миллиардов беспроводных устройств в настоящее время подключены через мобильную связь по всему миру. * Общение в чате с друзьями и семьей, просмотр видео в дороге, игра в сети или просто серфинг в Интернете можно сделать без проблем и по доступной цене. Однако будет ли это по-прежнему так, если количество пользователей растет и, следовательно, объем данных продолжает расти? «Мы находимся на поворотном этапе», — говорит д-р Рудигер Куэй из Института прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF во Фрайбурге (Германия). «Пока что в основном люди общаются друг с другом с помощью мобильных устройств связи.
В будущем к сетям присоединятся автомобили, устройства или производственные машины». Однако радиосвязь в реальном времени необходима для таких видений, как Индустрия 4.0 или автономное вождение.
Требуются максимальные скорости передачи данных 10 гигабит в секунду, поэтому они нацелены. Однако современный мобильный стандарт 4G LTE рассчитан на скорость 300 мегабит в секунду и не поддерживает передачу в реальном времени.
Работа в Интернете на мобильном устройстве сравнительно медленная, средняя пиковая скорость передачи данных составляет 50 мегабит в секунду. По этой причине операторы беспроводной связи и поставщики сетевого оборудования совместно с исследователями работают над более мощным 5G. Новый стандарт сотовой связи позволит передавать видео высокого качества в реальном времени.Разработка технологий для более высоких радиочастот
Базовые станции — важный компонент сотовой сети. Они являются узким местом, через которое должны проходить все данные.
Fraunhofer IAF обладает специальными знаниями о том, как расширить это узкое место. Исследователи разрабатывают усилители мощности, которые могут быстрее и, прежде всего, более эффективно передавать больше данных по сотовой сети. «Новые усилители мощности обеспечивают необходимые радиочастоты, на которых передаются данные», — объясняет Куэй. В качестве первого шага для 5G высвобождаются дополнительные радиочастоты до 6 гигагерц.
В настоящее время LTE ограничен 2,7 гигагерцами.«Более высокие частоты означают более быструю передачу данных, но, к сожалению, также меньшую доступную мощность для передатчиков», — говорит Куэй.
По этой причине ученые производят транзисторы и микрочипы размером всего несколько квадратных миллиметров из полупроводникового материала нитрида галлия (GaN). «Благодаря особой кристаллической структуре, те же напряжения могут применяться на еще более высоких частотах, что приводит к повышению мощности и эффективности», — говорит Куэй. В рамках европейского проекта Flex5Gware институт уже успешно тестирует прототипы на частотах до 6 гигагерц.На каждый передаваемый бит беспроводная передача данных потребляет энергию. «Только это составляет около 15 процентов нашего счета за сотовую связь», — объясняет Куэй.
Каждый бит информации требует определенной постоянной мощности радиопередачи. По сравнению с сегодняшним днем следует передавать в 200 раз больше битов с аналогичным количеством энергии. Это означает, что потребляемая мощность в 200 раз больше. «Ради устойчивости необходимо существенно повысить энергоэффективность сотовой связи для 5G», — говорит Куэй. Но в настоящее время базовые станции могут передавать только высокие скорости передачи данных с очень высокими затратами энергии.
Основная причина в том, что они передают радиоволны в воздух, не зная, где находятся пользователи. Однако благодаря новым антеннам с электронным управлением и усилителям мощности на основе GaN информация достигает приемников с очень высокой точностью и гораздо меньшими затратами на электроэнергию. Оснащенная технологиями исследователей из Фрайбурга, антенны базовой станции электронно нацелены на приемник. «Они работают как человеческое ухо: мы знаем, откуда доносятся шумы, не поворачивая головы», — объясняет физик.Сырье для GaN доступно в больших количествах.
Азот можно получить из воздуха, а галлий — отходы металлообработки. GaN — важный компонент синих и белых светодиодов. Успех этой световой технологии способствовал тому, что производство GaN стало еще более рентабельным. Сегодня экономия энергии во время работы превышает производственные затраты по сравнению с кремнием еще более дорогого GaN.
* Источник: Индекс Cisco Visual Networking Index: глобальный прогноз трафика мобильных данных, официальный документ на 2015–2020 гг.