Беспроводная передача данных посредством мобильной связи надежна и доступна. Однако объем данных на одного пользователя растет экспоненциально. Причинами являются не только постоянно растущее количество смартфонов, но и такие тенденции, как связь между автомобилями (C2C) или между машинами (M2M) - машины и машины должны общаться друг с другом на высокой скорости. С 2020 года стандарт мобильной связи 5G нацелен на быструю и энергоэффективную передачу данных. С этой целью Фраунгофер разрабатывает новые усилители мощности на основе полупроводникового нитрида галлия.
По меньшей мере 8 миллиардов беспроводных устройств в настоящее время подключены через мобильную связь по всему миру. Общение с друзьями и семьей, просмотр видео в дороге, онлайн-игры или просто серфинг в Интернете можно сделать без проблем и по доступной цене. Однако будет ли это по-прежнему иметь место, если число пользователей будет расти и, следовательно, объем данных будет продолжать расти? «Мы подошли к поворотному моменту», - говорит доктор Рюдигер Ки из Фраунгоферовского института прикладной физики твердого тела IAF во Фрайбурге (Германия). «Пока что в основном люди общаются друг с другом с помощью мобильных устройств связи. В будущем к сетям присоединятся автомобили, устройства или производственные машины». Однако радиосвязь в реальном времени необходима для таких концепций, как «Индустрия 4.0» или автономное вождение. Требуются максимальные скорости передачи данных 10 гигабит в секунду, и поэтому они являются целевыми. Однако современный мобильный стандарт 4G LTE рассчитан на 300 мегабит в секунду и не поддерживает передачу в реальном времени. Интернет-серфинг на вашем мобильном устройстве сравнительно медленный со средней пиковой скоростью передачи данных 50 мегабит в секунду. По этой причине операторы беспроводной связи и поставщики сетевого оборудования работают вместе с исследователями над более мощным 5G. Новый стандарт сотовой связи позволит транслировать видео высокого качества в прямом эфире.
Разработка технологии для более высоких радиочастот
Базовые станции являются важным компонентом сотовой сети. Они являются узким местом, через которое должны проходить все данные. IAF Фраунгофера обладает специальными знаниями о том, как расширить это узкое место. Исследователи разрабатывают усилители мощности, способные быстрее и эффективнее отправлять больше данных через сотовую сеть. «Новые усилители мощности обеспечивают необходимые радиочастоты, по которым передаются данные», - объясняет Куэй. В качестве первого шага для 5G высвобождаются дополнительные радиочастоты до 6 гигагерц. В настоящее время LTE ограничен 2,7 гигагерцами.
«Более высокие частоты означают более быструю передачу данных, но, к сожалению, также меньше доступной мощности для передатчиков», - говорит Куэй. По этой причине ученые производят транзисторы и микросхемы размером всего несколько квадратных миллиметров из полупроводникового материала нитрида галлия (GaN). «Благодаря особой кристаллической структуре те же самые напряжения могут быть применены на еще более высоких частотах, что приводит к лучшей производительности и эффективности», - говорит Куэй. В рамках проекта ЕС Flex5Gware институт уже успешно тестирует прототипы на частотах до 6 гигагерц.
Для каждого переданного бита беспроводная передача данных потребляет энергию. «Одна только эта сумма составляет около 15 процентов нашего счета за сотовую связь, - объясняет Куэй. Каждый бит информации требует определенной постоянной мощности радиопередачи. По сравнению с сегодняшним днем необходимо передать в 200 раз больше битов с таким же количеством энергии. Это означает, что в 200 раз больше требуемой мощности. «Ради устойчивости энергоэффективность сотовой связи должна быть существенно увеличена для 5G», - говорит Куэй. Но в настоящее время базовые станции способны передавать только высокие скорости передачи данных с очень высокими затратами энергии. Основная причина в том, что они передают радиоволны в эфир, не зная, где находятся пользователи. Однако с новыми антеннами с электронным управлением и усилителями мощности на основе нитрида галлия информация достигает приемников с высочайшей точностью и гораздо меньшими затратами на электроэнергию. Антенны базовой станции, оснащенные технологией исследователей из Фрайбурга, электронным образом наводятся на приемник. «Они работают как человеческое ухо: мы знаем, откуда исходит шум, не поворачивая головы», - объясняет физик.
Сырье для GaN доступно в больших количествах. Азот можно получить из воздуха, а галлий является отходом металлообработки. GaN является важным компонентом синих и белых светодиодов. Успех этой световой технологии способствовал тому, что производство GaN стало еще более рентабельным. Сегодня экономия энергии при эксплуатации превышает затраты на производство по сравнению с кремнием еще более дорогого GaN.
Источник: Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015-2020 White Paper