Teknologi komunikasi 5G menjanjikan unduhan instan konten video ke perangkat seluler, game online dengan penundaan minimal, komunikasi video tanpa kekacauan dan kotak, dan banyak hal menyenangkan lainnya. Ini termasuk pabrik pintar, mobil dan kereta autopilot pintar, dan perangkat IoT yang tak terhitung jumlahnya yang meningkatkan kehidupan manusia di setiap sudut planet ini. Salah satu bidang terkait 5G tempat para insinyur Toshiba bekerja adalah teknologi nirkabel ultra-cepat. Implementasinya di masa depan akan menghilangkan kebutuhan untuk memasang kabel serat optik antara stasiun pangkalan jaringan generasi kelima. Dalam posting ini, kami akan memberi tahu Anda bagaimana kami berhasil menerapkan koneksi nirkabel dengan kecepatan 20 Gbps.
Bagaimana cara kerjanya sekarang?
Sistem komunikasi generasi kelima terdiri dari perangkat pelanggan yang terhubung ke stasiun pangkalan menggunakan teknologi nirkabel (tautan tingkat akses), pemancar yang mengirimkan sinyal dari perangkat pelanggan ke inti jaringan (tautan transit), dan inti jaringan itu sendiri, di mana pemrosesan dilakukan sinyal dan perutean aliran data dari pelanggan ke pelanggan dan dari pelanggan ke Internet.
Skema standar jaringan seluler. Sumber (selanjutnya): Toshiba
Inti jaringan menerima data dan menyediakan manajemen keamanan. Gangguan pada link antara base station dan core jaringan akan mengakibatkan putusnya koneksi, sehingga backhaul koneksi harus sangat handal dan menjaga kecepatan yang tinggi agar tidak ada delay.
Pada tahun 2016, ketika Toshiba pertama kali mulai bekerja untuk meningkatkan kecepatan 5G, sebagian besar penelitian di bidang ini berfokus pada peningkatan kecepatan saluran akses. Namun, kecepatan ultra-tinggi 5G memerlukan peningkatan secara simultan dalam bandwidth saluran akses dan saluran backhaul.
Apa yang ditawarkan?
Secara tradisional, koneksi backhaul telah diimplementasikan dengan menggunakan serat optik. Dibandingkan dengan negara lain, Jepang memiliki banyak jaringan serat optik, tetapi meletakkannya di daerah pegunungan sulit dan sangat mahal, dan untuk menyediakan komunikasi 5G di pegunungan, stasiun pangkalan baru harus dipasang di daerah seperti itu, yang selanjutnya akan meningkatkan biaya. . Oleh karena itu, teknisi Toshiba berfokus untuk mengganti tautan backhaul serat dengan yang nirkabel.
Jaringan backhaul nirkabel
Pertanyaannya adalah bagaimana cara mencapai kecepatan ultra-tinggi yang diperlukan untuk jaringan 5G. Yang paling umum dari semua metode adalah meningkatkan kecepatan dengan memperluas bandwidth. Frekuensi 3G dan 4G tidak lagi cukup untuk ini. Itu perlu untuk pindah ke frekuensi yang lebih tinggi - ke gelombang milimeter.
Kesulitan transisi ke milimeter
Gelombang milimeter dari 28 GHz belum pernah digunakan untuk komunikasi seluler sebelumnya. Masalah utama yang dihadapi para pengembang adalah gelombang milimeter hanya dapat menempuh jarak yang dekat. Upaya pertama untuk menggunakannya adalah perjuangan untuk memastikan bahwa mereka menghabisi setidaknya satu kilometer. Membangun jaringan di mana banyak stasiun pangkalan terletak berdekatan satu sama lain akan membutuhkan biaya infrastruktur yang besar, dan ini akan meniadakan penghematan dari penggantian tautan serat dengan yang nirkabel.
Untuk meningkatkan kualitas komunikasi dan kecepatan transfer data, tim Toshiba memutuskan untuk menggunakan teknologi Multiple Input Multiple Output (MIMO). MIMO menggunakan banyak antena pada pemancar dan penerima untuk meningkatkan kecepatan dengan mengirimkan banyak sinyal pada waktu yang bersamaan. Gelombang radio memantul dari gedung dan penghalang fisik lainnya dan mencapai antena penerima pada sudut yang berbeda. Teknologi MIMO menyediakan komunikasi yang cepat dan stabil di lingkungan ini dengan menggunakan pantulan dari gelombang radio untuk meningkatkan kinerja.
Namun pada kondisi medan pegunungan, antena rencananya dipasang di titik-titik tertinggi, yang berarti praktis tidak ada hambatan fisik terhadap pantulan gelombang radio. Kesulitan kedua adalah kebutuhan untuk memfokuskan gelombang milimeter menjadi sinar yang sempit untuk meningkatkan jarak komunikasi yang stabil. Ini semakin mengurangi refleksi.
Mengingat keterbatasan yang dijelaskan, memanfaatkan keunggulan MIMO untuk meningkatkan kecepatan dan hasil terbukti sulit. Untuk mengatasi masalah tersebut, teknisi Toshiba memutuskan untuk menggunakan teknologi Polarized MIMO (Polarized MIMO), yang menstabilkan dan mempercepat transmisi sinyal dengan memisahkan gelombang radio menjadi gelombang dengan polarisasi vertikal dan horizontal.
Menggunakan MIMO terpolarisasi untuk backhaul
Memisahkan sinyal menjadi dua gelombang memungkinkan dua koneksi independen dibuat dan menyediakan tautan stabil dengan kecepatan dua kali lipat. Toshiba bukanlah perusahaan pertama yang mencoba menggunakan Polarized MIMO untuk mengatur saluran komunikasi, tetapi semua peneliti melaporkan bahwa mereka tidak dapat memberikan kecepatan transmisi yang cukup tinggi pada jarak lebih dari satu kilometer: masalah berikutnya bukanlah pelemahan sinyal, tetapi sebuah gangguan dalam jumlah besar.
Saat mentransmisikan sinyal pada kecepatan 5G standar 20 Gbit / s, volume informasi yang ditransmisikan jauh lebih besar daripada di jaringan generasi sebelumnya. Mengirim data dalam jumlah besar mengarah pada fakta bahwa gangguan sekecil apa pun adalah masalah, terutama dalam kondisi bandwidth lebar dalam rentang gelombang milimeter. Koreksi distorsi pita lebar diperlukan saat menggunakan Polarized MIMO. Teknologi koreksi distorsi pita lebar dipelopori dalam penyiaran TV digital, di mana Toshiba telah terlibat selama lebih dari 20 tahun dalam penelitian dan pengembangan penyiaran digital dan LAN nirkabel.
Kombinasi dari Polarized MIMO dan metode koreksi distorsi pita lebar merupakan sebuah terobosan: pengujian menunjukkan bahwa teknologi pengorganisasian tautan backhaul nirkabel hampir siap untuk digunakan di lingkungan 5G - setidaknya dalam kondisi laboratorium semuanya bekerja dengan sempurna. Tetap melakukan uji lapangan di area terbuka, tetapi ini juga mengalami kesulitan: untuk transmisi gelombang gelombang milimeter, menurut undang-undang Jepang, diperlukan izin, dan sangat sulit untuk mendapatkannya. Dalam hal ini, diputuskan untuk melakukan uji lapangan di Inggris, di laboratorium Bristol Research & Innovation, yang dijalankan oleh Toshiba Eropa.
Uji coba lapangan
Untuk menguji pengembangan, pemancar dipasang di atap Universitas Bristol, dan penerima dipasang di gedung yang berjarak 900 meter. Untuk mensimulasikan jarak sebenarnya lima kilometer, sebuah peredam dipasang di sisi penerima.
Lokasi pemancar dan penerima di tanah
Sebelum percobaan, perlu dipastikan fokus yang jelas dari pemancar dan penerima. Itu harus dilakukan dengan mata, dan itu tidak mudah, karena lampu sorot pun sulit untuk difokuskan, dan gelombang radio juga tidak terlihat. Selain itu, setiap hari di pagi hari perlu memasang dan mengatur ulang peralatan, dan di malam hari untuk melepasnya dari atap.
Foto dari situs uji lapangan kecepatan super untuk 5G
Tiga hari sebelum rencana akhir masa tinggal mereka di Inggris, para peneliti akhirnya mencapai kecepatan stabil 20 Gbps.
Apa yang diharapkan di masa depan
Menyusul presentasi teknologi pada konferensi ilmiah pada bulan Desember 2019, tim Toshiba terus bekerja untuk membuat desain eksperimental dapat dieksploitasi secara komersial. Untuk itu perlu memperhatikan banyak faktor, misalnya pengaruh angin dan hujan, suhu dan kelembaban.
Evolusi teknologi nirkabel seluler terus bergerak maju. Insinyur sudah melihat melampaui 5G dan sedang mendiskusikan transisi ke 6G pada tahun 2030-an. Jangkauan seluler diproyeksikan mencapai luar angkasa di era 6G. Toshiba akan bekerja dengan orang lain dalam proses ini untuk menciptakan teknologi bagi orang-orang di seluruh dunia untuk menyediakan komunikasi berkecepatan tinggi yang stabil dalam jarak jauh, di mana pun Anda berada.