Las tecnologías de comunicación 5G prometen descargas instantáneas de contenido de video a dispositivos móviles, juegos en línea con demoras mínimas, comunicación de video sin desorden y cuadrados, y muchas otras cosas deliciosas. Estos incluyen fábricas inteligentes, automóviles y trenes inteligentes con piloto automático e innumerables dispositivos IoT que mejoran la vida humana en todos los rincones del planeta. Una de las áreas relacionadas con 5G en las que trabajan los ingenieros de Toshiba son las tecnologías inalámbricas ultrarrápidas. Su implementación en el futuro eliminará la necesidad de tender un cable de fibra óptica entre estaciones base de redes de quinta generación. En este post te contamos cómo logramos implementar una conexión inalámbrica a una velocidad de 20 Gbps.
¿Cómo funciona ahora?
El sistema de comunicación de quinta generación consta de dispositivos de abonado que se conectan a estaciones base mediante tecnologías inalámbricas (enlace de nivel de acceso), estaciones base que transmiten una señal desde el dispositivo de abonado al núcleo de la red (enlace de tránsito) y el núcleo de la red en sí, en el que Se realiza el procesamiento de señales y enrutamiento de flujos de datos de abonado a abonado y de abonado a Internet.
El esquema estándar de la red celular. Fuente (en adelante): Toshiba
El núcleo de la red recibe datos y proporciona administración de seguridad. La interrupción del enlace entre la estación base y el núcleo de la red provocará una interrupción en la conexión, por lo que la conexión de backhaul debe ser muy confiable y mantener una alta velocidad para que no haya retrasos.
En 2016, cuando Toshiba comenzó a trabajar para aumentar las velocidades de 5G, la mayor parte de la investigación en esta área se centró en mejorar la velocidad del canal de acceso. Sin embargo, la velocidad ultra alta de 5G requiere el aumento simultáneo del ancho de banda tanto del canal de acceso como del canal de retorno.
¿Qué se ofrece?
Tradicionalmente, las conexiones de backhaul se han implementado utilizando fibra óptica. En comparación con otros países, Japón tiene muchas redes de fibra óptica, pero colocarlas en áreas montañosas es difícil y muy costoso, y para proporcionar comunicaciones 5G en las montañas, tendrían que instalarse nuevas estaciones base en esas áreas, lo que aumentaría aún más los costos. . Por lo tanto, los ingenieros de Toshiba se centraron en reemplazar los enlaces de backhaul de fibra por enlaces inalámbricos.
Red de backhaul inalámbrica
La pregunta era cómo lograr la velocidad ultra alta requerida para las redes 5G. El más común de todos los métodos es aumentar la velocidad expandiendo el ancho de banda. Las frecuencias para 3G y 4G ya no son suficientes para esto. Era necesario pasar a frecuencias más altas, a ondas milimétricas.
Dificultades de transición al milímetro.
Las ondas milimétricas de 28 GHz nunca antes se habían utilizado para comunicaciones móviles. El principal problema al que se enfrentan los desarrolladores es que las ondas milimétricas solo pueden viajar una distancia corta. Los primeros intentos de utilizarlos fueron una lucha para conseguir que remataran al menos un kilómetro. Construir una red en la que muchas estaciones base estén ubicadas cerca unas de otras requerirá enormes costos de infraestructura, y esto anulará los ahorros de reemplazar enlaces de fibra por enlaces inalámbricos.
Para mejorar la calidad de la comunicación y las tasas de transferencia de datos, el equipo de Toshiba decidió utilizar la tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO usa múltiples antenas en el transmisor y el receptor para aumentar la velocidad al transmitir múltiples señales al mismo tiempo. Las ondas de radio rebotan en edificios y otros obstáculos físicos y llegan a las antenas receptoras en diferentes ángulos. La tecnología MIMO proporciona comunicaciones rápidas y estables en estos entornos mediante el uso de reflejos de ondas de radio para mejorar el rendimiento.
Sin embargo, en condiciones de terreno montañoso, las antenas estaban previstas para instalarse en los puntos más altos, lo que significaba que prácticamente no existían obstáculos físicos al reflejo de las ondas de radio. La segunda dificultad fue la necesidad de enfocar las ondas milimétricas en un haz estrecho para aumentar la distancia de comunicación estable. Esto redujo aún más el reflejo.
Dadas las limitaciones descritas, se ha demostrado que es difícil aprovechar las ventajas de MIMO para aumentar la velocidad y el rendimiento. Para resolver el problema, los ingenieros de Toshiba decidieron utilizar la tecnología Polarized MIMO (Polarized MIMO), que estabiliza y acelera la transmisión de la señal al separar las ondas de radio en ondas con polarización vertical y horizontal.
Usando MIMO polarizado para backhaul
La división de la señal en dos ondas permite establecer dos conexiones independientes y proporciona un enlace estable al doble de velocidad. Toshiba no fue la primera empresa que intentó utilizar MIMO polarizado para organizar un canal de comunicación, pero todos los investigadores informaron que no podían proporcionar una velocidad de transmisión suficientemente alta a distancias de más de un kilómetro: el siguiente problema no era la atenuación de la señal, sino una gran cantidad de interferencias.
Al transmitir señales a una velocidad estándar de 5G de 20 Gbit / s, el volumen de información transmitida es mucho mayor que en las redes de generaciones anteriores. El envío de grandes cantidades de datos conduce al hecho de que incluso la más mínima interferencia es un problema, especialmente en condiciones de ancho de banda amplio en el rango de ondas milimétricas. Era necesaria la corrección de la distorsión de banda ancha cuando se utilizaba MIMO polarizado. Las tecnologías de corrección de la distorsión de banda ancha fueron pioneras en la transmisión de televisión digital, en la que Toshiba ha estado involucrado durante más de 20 años en la investigación y el desarrollo de la transmisión digital y las LAN inalámbricas.
La combinación de MIMO polarizado y métodos de corrección de distorsión de banda ancha fue un gran avance: las pruebas mostraron que la tecnología de organización de enlaces de retorno inalámbricos está casi lista para su uso en un entorno 5G, al menos en condiciones de laboratorio, todo funcionó a la perfección. Quedaba por realizar pruebas de campo en un área abierta, pero esto también tenía dificultades: para la transmisión de ondas milimétricas, según la legislación japonesa, se requería obtener un permiso, y es extremadamente difícil obtenerlo. En este sentido, se decidió realizar pruebas de campo en el Reino Unido, en el laboratorio de Investigación e Innovación de Bristol, que está a cargo de Toshiba Europa.
Pruebas de campo
Para probar el desarrollo, el transmisor se instaló en el techo de la Universidad de Bristol y el receptor se instaló en un edificio a 900 metros de distancia. Para simular una distancia real de cinco kilómetros, se instaló un atenuador en el lado del receptor.
Ubicación del transmisor y el receptor en el suelo
Antes de los experimentos, era necesario asegurar un enfoque claro del transmisor y el receptor. Había que hacerlo a ojo, y no fue fácil, ya que incluso los reflectores son difíciles de enfocar y las ondas de radio también son invisibles. Además, todos los días por la mañana era necesario instalar y reconfigurar el equipo, y por la noche quitarlo del techo.
Fotos del sitio de prueba de campo de súper velocidades para 5G
Tres días antes del final previsto de su estancia en el Reino Unido, los investigadores finalmente alcanzaron una velocidad estable de 20 Gbps.
Que esperar en el futuro
Tras la presentación de la tecnología en una conferencia científica en diciembre de 2019, el equipo de Toshiba continuó trabajando para que los diseños experimentales fueran comercialmente explotables. Esto requiere tener en cuenta muchos factores, por ejemplo, la influencia del viento y la lluvia, la temperatura y la humedad.
La evolución de la tecnología inalámbrica móvil avanza constantemente. Los ingenieros ya están mirando más allá de 5G y están discutiendo una transición a 6G en la década de 2030. Se prevé que la cobertura móvil llegue al espacio exterior en la era 6G. Toshiba trabajará con otros en este proceso para crear tecnologías para que personas de todo el mundo proporcionen comunicaciones estables y de alta velocidad a largas distancias, dondequiera que se encuentre.