Современная электроника №9/2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2018 Проблемы проектирования устройств для сетей 5G миллиметрового диапазона Рис. 1. Необходимость расширения рабочей полосы в связи с новыми требованиями к скорости передачи больших массивов данных В данной статье рассмотрены основные проблемы и задачи, стоящие перед разработчиками усилителей мощности для сетей 5-го поколения миллиметрового диапазона с учётом строгих требований к уровням выходной мощности и линейности и значению КПД устройства. Джек Браун (Microwaves & RF) В ВЕДЕНИЕ Беспроводные сети 5-го поколения (5G) часто называют по-настоящему «следующим» поколением сетей свя- зи, поскольку их ожидаемые характери- стики должны значительно превысить все параметры текущего 4-го поколе- ния (LTE). Несмотря на то что стандар- ты 5G ещё однозначно не установлены, многие, кто планирует их введение, согласны с тем, что сети нового поко- ления должны работать в более широ- кой полосе, обеспечивающей увеличен- ную пропускную способность передачи данных. Получить такую полосу воз- можно, перейдя в область более высо- ких частот, а именно в область милли- метровых волн (порядка 60 ГГц). Сама область миллиметровых волн хорошо зарекомендовала себя в «умных» систе- мах автомобилей (например, в систе- мах предотвращения столкновений используются радары на 77 ГГц), а воз- можность обеспечить рабочую поло- су от 30 до 300 ГГц является многообе- щающей характеристикой диапазона, которая удовлетворит требованиям к пропускной способности сетей, осо- бенно по сравнению с достигающими своих пределов параметрами сетей LTE. Тем не менее построение сетей 5G, использующих все преимущества мил- лиметрового диапазона, требует увели- чения уровней мощности передавае- мых сигналов, а это значит, что клю- чевую роль в развитии новых систем будет играть доступность соответству- ющих усилителей мощности (УМ). Проектирование УМмиллиметрового диапазона – задача нетривиальная. Как следует из названия, длины волн сиг- налов составляют от 1 до 10 мм. С учё- том взаимоотношений между частотой, длиной волны и различными параме- т рами схем, необходимых для работ ы н а столь высоких частотах, основным и п роблемами при разработке становят - ся миниатюризация схем и необходи - м ость сохранения мощности сигнал а за счёт уменьшения прямых и обрат - н ых потерь. П ЕРСПЕКТИВЫ 5- ГО ПОКОЛЕНИЯ Ожидания от сетей 5G велики даже несмотря на то, что инфраструктура к ним ещё не готова (см. рис. 1). Ранние поколения сетей беспроводной/сото- вой связи строились для передачи голо- совых данных, но уже с появлением сетей 2G и 3G ситуация стала менять- ся. Природа современных сетей связи изменилась во многом благодаря раз- витию сети Интернет, став более ориен- тированной на передачу больших объ- ёмов данных, что, в свою очередь, при- вело к появлению новых требований к скорости передачи данных и пропуск- ной способности сетей. Появление и развитие Интернета вещей (IoT) также ведёт к созданию устройств с низким энергопотребле- нием, поскольку бо ′ льшая их часть постоянно находится во включённом состоянии с непрерывным беспровод- ным подключением к интернету. Это отличает устройства IoT от смартфо- нов, которые могут находиться в режи- ме ожидания без постоянного потре- бления ресурсов сети. Постоянное под- ключение устройств IoT к сети может диктоваться их назначением – к при- меру, устройства для мониторинга состояния здоровья должны непрерыв- но записывать и передавать данные о состоянии пациента. По различным оценкам, количество устройств IoT, которые должны будут находиться в подключённом к сети состоянии, может достигать нескольких триллионов уже через несколько лет – при этом не учи- тывается рост количества смартфонов, работающих в тех же сетях. В связи с этим необходимость в сетях с высокой пропускной способностью становится насущной проблемой. Неизбежность перехода на новое поколение сетей обусловлена также и ограниченностью характеристик теку- щего поколения (4G). По сравнению с 3G сети 4-го поколения обеспечили значительный прирост производитель- ности благодаря повышенной спек- тральной эффективности, обеспечен- ной продвинутыми методами модуля- ции и кодирования, а также развитием технологий антенн (например, MIMO – «многоканальный вход – многоканаль- ный выход»). Усовершенствования позволили до- биться скорости передачи данных до 1 ГБ/с для стационарных и порядка 100 МБ/с для мобильных устройств. Ожидания от сетей связи 5-го поко- ления подразумевают увеличение этих значений не менее чем в 10 раз. Это позволило бы обеспечить работу множества смартфонов и устройств Радиоинтерфейс • Координированная многоадресная приёмопередача • 3D/полноразмерные системы MIMO • Новые методы модуляции и кодирования • Увеличение количества сертифицированных и несертифицированных частотных диапазонов в миллиметровой области • Сертифицированный общий доступ • Нелицензированное распределение спектра • Уплотнение сот • Разгрузка беспроводных сетей • Интегрированная работа нескольких технологий радиодоступа • Общее планирование, неортогональный множественный доступ • Взаимодействие информационных и коммуникационных технологий Предыдущее десятилетие Следующее десятилетие Спектр Технологии устройств телекоммуникации