Мобильные устройства с каждым годом становятся быстрее и сильнее: растёт их производительность, разрешение камер и экранов, возможности запускаемых приложений. Пользователи проводят со смартфонами все больше времени, и все это выливается в постоянный рост объёмов передачи данных. Так, по данным Ericsson, уже сейчас в США средний пользователь смартфона потребляет внушительные 7,2 ГБ трафика в месяц (в России, кстати, не намного меньше — около 6 ГБ), а к 2023 году этот объем увеличится в 7 (семь!) раз.
Соответственно, если не развивать сети дальше, то они просто захлебнутся, или, как минимум, средняя скорость упадёт семикратно. Эффективно наращивать ёмкость и пропускную способность сетей можно, по сути, только одним способом: за счёт радиочастотного спектра. Чем шире полоса пропускания, тем, соответственно, больше данных можно одновременно передать. Осталось только где-то взять свободные частоты в нужном количестве: вот здесь и становится актуальным миллиметровый диапазон (mmWave) — то есть, частоты выше 24 ГГц.
Почему миллиметровый диапазон не использовали раньше?
С ним есть проблема, даже две. Волны миллиметрового диапазона, во-первых, имеют весьма скромный радиус распространения из-за сильного затухания даже в воздухе. Во-вторых, чем меньше длина волны, тем ниже её способность огибать препятствия. Для волны миллиметрового диапазона глухой стеной может стать даже ваша рука, держащая смартфон и блокирующая антенну.
Инженеры долго решали эти проблемы и придумали использовать массив антенн и так называемый бимформинг: формирование направленного «луча» для увеличения его мощности при помощи антенных решёток. То есть нужны антенные решётки — раз, их нужно несколько — два. Долгое время считалось, что именно поэтому mmWave нельзя использовать в мобильных устройствах: уж больно громоздкими они окажутся. Тем не менее, Qualcomm к 2018 году удалось создать антенные модули QTM052, которые по размерам меньше канцелярской скрепки! До четырёх таких модулей размещаются вдоль боковых граней корпуса, благодаря чему смартфон остаётся тонким. Если посмотреть на фотографии «утекших» в сеть 5G-смартфонов, например, Xiaomi Mi Mix 3, Vivo и Oppo, то видно, что они по массогабаритным характеристикам ничем не отличаются от нынешних смартфонов, поддерживающих только LTE.
Единственный известный «недостаток», который подчеркивают 5G-хейтеры, — это прототип Qualcomm (референс-дизайн смартфона). Но если посмотреть на прототипы предыдущих поколений устройств, то можно увидеть: эти действующие «макеты» всегда были достаточно громоздкими — в первую очередь для удобства изучения схемотехники. Впрочем, и «кирпичом» его назвать можно лишь условно: устройство имеет габариты 160,0 × 73,8 × 9,5 мм.
Где, как и зачем применять mmWave?
Основная сфера применения mmWave — массовые мероприятия на стадионах, в концертных залах, выставках и т.п. В такой модели типичные проблемы распространения миллиметровых волн несущественны: нет ни потерь, связанных с прохождением сигнала сквозь стены, ни поглощения сигнала листвой или дождём, ни угасания на большом расстоянии: базовая станция всегда располагается не более чем в паре десятков метров от абонента. Зато есть множество преимуществ: за счёт лучшей направленности антенн и спектральной эффективности, а также идеального формирования луча прекрасно решается вопрос ёмкости сети (той самой сети, которая как раз во время массовых мероприятий чаще всего «лежит»). При этом mmWave будет использоваться как дополнение к существующей LTE-сети.
Опыты показывают, что, например, для музыкального мероприятия на открытом пространстве добавление 16 секторов 5G-NR (800 МГц спектра) к 38 (!) секторам LTE (50 МГц спектра) обеспечивает десятикратное увеличение ёмкости, стократное увеличение пропускной способности и реальную среднюю скорость передачи данных в 233 Мбит/с.
Это, в свою очередь, позволяет создавать новые кейсы использования мобильной связи — от размещения беспроводных мониторов, на которых видно, например, каждого из музыкантов вблизи, до мгновенных персонализированных повторов тех или иных фрагментов спортивных состязаний или даже возможности через VR-шлем оказаться на поле и увидеть игру глазами любимого игрока. Для реалистичности картинки такие шлемы будут иметь разрешение 1920×1920 на каждый глаз с HDR и 10 битами на каждый цветовой канал, а также частоту обновления 60 кадров в секунду. Это требует скорости 60–90 Мбит/с на пользователя с пиками более 100 Мбит/с и задержками менее 20 мс, чтобы не было заметно «лагов» при движении головой.
Если отойти от тематики массовых мероприятий, то 5G позволит, например, ориентироваться в городе при помощи дополненной реальности. Причём всё это будет происходить в режиме реального времени на текущем изображении с камеры, а не на статичной картинке, поэтому здесь потребуется мгновенная полнобуферная загрузка нейросети для анализа изображений и «пульсирующие» загрузки малых пакетов, для которых также важна задержка менее 20 мс, иначе при движении смартфона и изменении изображения в поле зрения камеры данные не будут успевать подгружаться.
И, конечно игры. Речь не только о многопользовательских играх с низким пингом, но и о совершенно новых типах игр, например, о «виртуальном пейнтболе», в котором вместо маркеров с краской игроки получают смартфон и стреляют виртуальным оружием, а ПО распознает образы игроков и точно знает, кто в кого попал. При этом появляется возможность дополнять реальный мир виртуальными объектами, например, теми же аптечками, броней или дополнительным оружием и боеприпасами.
Автор: Qualcomm
