Ученые из Токийского научного института нашли остроумный способ решить одну из главных проблем мобильной связи будущего. Речь о миллиметровых волнах (mmWave) — основе сетей 5G и скоростного 6G. Они обещают невероятную скорость, но есть нюанс: их легко блокирует буквально все — стена, дерево или даже просто проходящий мимо человек. Из-за этого строить повсеместно мощные базовые станции дорого и неэффективно.

Команда профессора Кей Сакагучи предложила простое и изящное решение: использовать дешевые аналоговые ретрансляторы, или повторители. Их можно расставить там, где сигнал от основной вышки не добивает. Эти устройства не декодируют сигнал, а просто ловят его, усиливают и передают дальше, как эстафетную палочку. Это гораздо дешевле, чем строить новую полноценную станцию.

Аналоговый ретранслятор (повторитель) — это устройство, которое принимает входящий радиосигнал, усиливает его и сразу же передает дальше, не производя с ним сложных цифровых операций (не декодируя и не обрабатывая его содержание). Если представить базовую станцию с ее мощными процессорами как «мозг» сети, то аналоговый ретранслятор — это просто „мышца“, которая механически, бездумно, но очень эффективно продлевает действие сигнала, как эстафетный бегун.

Подробности опубликованы в издании IEEE Access.

Исследователи провели эксперимент в кампусе Оокаяма, специально выбирая «мертвые зоны», куда прямой сигнал не проникает. Они испытали две схемы подключения этих повторителей:

• По оптоволоконному кабелю, выстроив их в цепь.
• Полностью беспроводным способом, когда устройства передают сигнал друг другу по воздуху.

Обе схемы блестяще сработали. В зонах, где раньше связи не было вообще, удалось добиться стабильной скорости передачи данных больше 1 Гбит/с. Цепочка из повторителей по кабелю показала чуть более высокую среднюю скорость, а полностью беспроводная система — более стабильную работу без резких проседаний.

Сакагучи поясняет:

Наши результаты показывают, что правильная расстановка аналоговых повторителей преодолевает главную слабость миллиметровых волн — блокировку сигнала — и обеспечивает стабильную связь на высокой скорости.

Обнаружился и приятный бонус. Когда зоны покрытия нескольких повторителей пересекались, они создавали искусственное эхо сигнала. Это явление, которое исследователи назвали «разнесенной релейной диверсией», работало как страховка. Даже если один сигнал перекрывался, например, спиной прохожего, его тут же подхватывал и усиливал другой повторитель. Это делает технологию идеальной для оживленных улиц, вокзалов и стадионов, где люди постоянно движутся.

Вместе наши выводы знаменуют начало работы над прорывными технологиями для сетей 5G и 6G, — подводит итог Сакагучи.

Реальная польза этого исследования — в его прагматизме и потенциальном снижении стоимости развертывания сетей. Внедрение таких повторителей может на порядок сократить капитальные затраты операторов связи, ведь не нужно вкапывать каждые 100 метров дорогущую базовую станцию с полным комплектом обработки сигнала. Вместо этого можно поставить одну мощную станцию и «осыпать» район дешевыми усилителями. Это открывает путь к настоящему плотному покрытию ммВолнами не только в центрах мегаполисов, но и на периферии, в больших торговых центрах, на производствах и на транспорте. Для конечного пользователя это означает, что обещанный гигабитный интернет на смартфоне может стать повседневной реальностью, а не маркетинговой уловкой, работающей только под вышкой.

Ключевое замечание касается масштабируемости и управления интерференцией в реальных, а не лабораторных условиях. В эксперименте использовалось контролируемое количество повторителей. В плотной городской среде их потребуются сотни и тысячи на один район. Как система будет справляться с самоинтерференцией, когда сигналы от множества повторителей начнут накладываться друг на друга? Не превратится ли полезное «искусственное эхо» (разнесенная диверсия) в неуправляемый шум, который только ухудшит качество связи? Авторы демонстрируют принцип, но инженерная реализация масштабной сети таких устройств потребует сложнейших алгоритмов управления и может нивелировать первоначальную экономию.

Ранее ученые представили неожиданный лайфхак для терагерцовых волн.