5G базалық станциясының радиожиілік антеннасын жаңарту: жаппай MIMO технологиясы коммуникация желісінің қамту аймағын қалай өзгертеді

Мобильді байланыс технологияларының эволюциялық тарихында технологиялық итерацияның әрбір буыны желі өнімділігін айтарлықтай жақсартумен қатар жүрді, ал 5G технологиясының пайда болуы тіпті диверсиялық өзгерістерге әкелді. 5G желілері ультра жоғары деректер жылдамдығы, өте төмен кідіріс және үлкен құрылғы қосылымдары сияқты әртүрлі қажеттіліктерді қанағаттандыруға бағытталған. Бұл мақсаттарға қол жеткізу бірқатар негізгі технологияларға негізделген, олардың арасында Массив MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output) технологиясы 5G базалық станциясының радиожиілік антенналарын жаңартуда негізгі рөл атқарады, байланыс желісінің қамтуын бұрын-соңды болмаған түрде өзгертеді.

Дәстүрлі байланыс желілерінде базалық станция антенналары әдетте бір кірісті бір шығыс (SISO) немесе көп кірісті көп шығыс (MIMO) технологияларын қолданады. SISO жүйелері деректерді беру мүмкіндігі шектеулі, өсіп келе жатқан байланыс қажеттіліктерін қанағаттандыруды қиындата отырып, тек бір таратушы антенна мен жалғыз қабылдау антеннасын пайдаланады. Мысал ретінде ертедегі 2G желісін алайық. SISO технологиясы бойынша желілік деректерді беру жылдамдығы тек ондаған кбит/с дейін жетеді, бұл жоғары ажыратымдылықтағы суреттер мен бейнелер сияқты үлкен сыйымдылықты деректерді жылдам тасымалдауды қамтамасыз ете алмайды. MIMO технологиясы, керісінше, базалық станцияда да, терминалда да бірнеше антенналарды жабдықтау және кеңістіктік мультиплекстеу және әртүрлілік технологияларын қолдану арқылы спектр ресурстарын арттырмай, жүйенің сыйымдылығы мен сенімділігін айтарлықтай жақсартады. Мысалы, 4G желілерінде жалпы 2×2 MIMO немесе 4×4 MIMO технологиялары желілік деректерді беру жылдамдығын жүз мегабиттік деңгейге дейін арттырып, пайдаланушылардың онлайн тәжірибесін айтарлықтай жақсартты. Дегенмен, мобильді Интернеттің қарқынды дамуымен пайдаланушылардың деректер трафигіне деген сұранысы экспоненциалды түрде өсті және дәстүрлі MIMO технологиясының өнімділігі 5G желілерінің қатаң талаптарын қанағаттандыра алмай, бірте-бірте тар жолға жақындады. Статистика көрсеткендей, ауқымды іс-шаралар өткізілетін орындар немесе тығыз қалалық аумақтар сияқты сценарийлерде 4G желілері жиі кептеліс пен жылдамдықтың төмендеуінен зардап шегеді, бұл пайдаланушылардың үлкен санын бір уақытта ажыратымдылығы жоғары бейне ойнату және онлайн ойындар сияқты өткізу қабілеті жоғары талаптары бар қолданбаларға қатысуға қолдау көрсетуді қиындатады.

MIMO технологиясының одан әрі эволюциясы ретінде Massive MIMO технологиясы дәстүрлі MIMO-дағы бірнеше немесе ондаған антенналардан жүздеген, тіпті мыңдаған антенналарға дейін кеңейіп, базалық станция антенналарының санын айтарлықтай арттырды. Антенналар санының бұл айтарлықтай өсуі көптеген техникалық артықшылықтар әкеледі, осылайша байланыс желілерінің қамтуын өзгертеді. Негізінде Massive MIMO арналардың кеңістіктік тәуелсіздігін пайдаланады. Базалық станцияда көптеген антенналарды жабдықтау арқылы ол кеңістіктік өлшемді мультиплексирлеуге қол жеткізе отырып, бірнеше пайдаланушылармен бір уақытта байланыса алады. Дәстүрлі байланыс жүйелерінде антенналардың шектеулі санына байланысты деректерді бір уақытта бірнеше пайдаланушыға ғана жіберуге болады. Дегенмен, массивтік MIMO жүйелері антенналардың санын көбейте отырып, жүйенің сыйымдылығы мен спектр тиімділігін айтарлықтай арттыра отырып, бірдей уақыт жиілік ресурстарында көбірек пайдаланушыларға қолдау көрсете алады. Теориялық зерттеулер көрсеткендей, базалық станция антенналарының саны шексіз болған кезде, Massive MIMO жүйелерінің спектрінің тиімділігі мен энергия тиімділігі айтарлықтай жақсарады.

Желіні қамту тұрғысынан Massive MIMO технологиясы сәулелену технологиясы арқылы сигналдардың қамту ауқымы мен сапасын айтарлықтай жақсартты. Сәулені қалыптастыру деп базалық станция антенналары арқылы берілетін сигналдарды арна күйі туралы ақпаратқа сәйкес салмақтауды білдіреді, осылайша сигнал энергиясы сәулені қалыптастыру үшін белгілі бір бағытта шоғырланады. Массивті MIMO жүйелерінде антенналардың көптігіне байланысты дәлірек сәулелік басқаруға қол жеткізуге болады, ол сигнал энергиясын мақсатты пайдаланушыларға дәл бағыттай алады, басқа бағыттардағы сигналдың жоғалуын азайтады және осылайша сигналдардың қамту ауқымы мен күшін жақсартады. Әсіресе ғимараттар сигналдарды блоктайтын және шағылыстыратын, сигналдың әлсіреуі мен кедергіге әкелетін күрделі қалалық орталарда Massive MIMO сәулесін қалыптастыру технологиясы пайдаланушылардың әртүрлі сценарийлерде тұрақты және жоғары жылдамдықты байланыс қызметтерін алуын қамтамасыз ете отырып, осы мәселелерді тиімді жеңе алады.

Сонымен қатар, Massive MIMO технологиясы әртүрлі технология арқылы байланыс жүйелерінің сенімділігін арттыра алады. Әртүрлілік технологиясы сигнал берудегі арнаның өшуі әсерін азайту үшін бірдей ақпаратты бірнеше тәуелсіз арналар арқылы жіберуді білдіреді. Массивті MIMO жүйелерінде антенналардың көптігіне байланысты сигналдарды беру сенімділігін арттыру үшін кеңістіктік әртүрлілік, уақыт әртүрлілігі және жиілік әртүрлілігі сияқты әртүрлі әртүрлілік әдістерін қолдануға болады. Белгілі бір арнаға сөну немесе кедергі әсер еткенде, басқа арналар әлі де сигналдарды қалыпты түрде жібере алады, осылайша байланыстың үздіксіздігі мен тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Бұл жоғары сенімділік әсіресе автономды жүргізу және телемедицина сияқты байланыс сапасына жоғары талаптары бар 5G қолданбалары үшін маңызды. Автономды жүргізу сценарийінде көліктер бұлтпен және айналадағы көліктермен нақты уақыт режимінде деректердің үлкен көлемімен өзара әрекеттесуі керек, бұл желінің сенімділігіне және төмен кідіріске өте жоғары талаптар қояды. Жаппай MIMO технологиясы әртүрлі технологиялар арқылы сигнал беру кезінде бит қателерінің жылдамдығын тиімді төмендете алады, көлік құралын басқару командаларының дәл және уақтылы берілуін қамтамасыз етеді және жүргізу қауіпсіздігіне кепілдік береді. Телемедицинада дәрігерлер жоғары ажыратымдылықтағы бейнелер арқылы пациенттерге қашықтан диагностика және хирургиялық операциялар жүргізгенде, Massive MIMO технологиясымен қамтамасыз етілген тұрақты және сенімді желі диагностикалық қателерді немесе желі ақауларынан туындаған хирургиялық тәуекелдерді болдырмай, бейне кескіндердің біркелкі берілуін қамтамасыз ете алады.

Нақты орналастыру тұрғысынан алғанда, 5G базалық станциясының радиожиілік антенналарын жаңартуда Massive MIMO технологиясын қолдану да көптеген қиындықтарға тап болады. Біріншіден, антенналардың үлкен санын пайдалану базалық станцияның аппараттық құнын және қуат тұтынуын арттырады. Әрбір антенна сәйкес радиожиілік алдыңғы жабдықпен жабдықталуы керек, соның ішінде қуат күшейткіштері, шуы аз күшейткіштер, сүзгілер және т.б. Антенналар санының өсуімен бұл құрылғылардың саны да айтарлықтай артады, бұл базалық станция жабдығы құнының айтарлықтай өсуіне әкеледі. Сонымен қатар, антенналардың көп санының жұмысы операторлардың пайдалану шығындарын арттыра отырып, электр энергиясын көбірек тұтынады. Екіншіден, антенналардың көптігіне байланысты арна ортасы күрделірек, бұл неғұрлым жетілдірілген алгоритмдер мен технологияларды қажет ететін арна күйінің ақпаратын дәл бағалауды қиындатады. Сонымен қатар, антенналардың үлкен саны арқылы берілетін және қабылданған сигналдарды өңдеу күшті есептеу қуатын талап етеді, бұл базалық станцияның сигнал өңдеу блогына жоғары талаптар қояды.

Осы міндеттерді шешу үшін зерттеушілер мен байланыс кәсіпорындары технологиялық зерттеулер мен әзірлемелер мен жабдықтарды оңтайландыруда көп күш жұмсады. Аппараттық қамтамасыз ету тұрғысынан алғанда, жаңа материалдар мен интеграциялық технологияларды енгізу арқылы антенналар мен радиожиілік фронтальды жабдықтың құны мен қуат тұтынуы үздіксіз төмендейді. Мысалы, байланыс үшін миллиметрлік толқынды жиілік диапазонын пайдалану, оның спектрінің мол ресурстары бар және деректерді жоғары жылдамдықта тасымалдау үшін 5G желілерінің қажеттіліктерін қанағаттандыра алады. Сонымен қатар, миллиметрлік толқынды антенналардың өлшемдері шағын, бұл базалық станцияға көптеген антенналарды біріктіруге ыңғайлы. Қазіргі уақытта кейбір өндірушілер миллиметрлік толқындарға негізделген Massive MIMO антенна массивтерін әзірледі, бұл жоғары интеграцияланған дизайн арқылы құрылғы көлемін және құнын тиімді төмендетеді. Сигналдарды өңдеу тұрғысынан, алгоритмдердің дәлдігі мен тиімділігін арттыру үшін арналарды бағалау және сигналды анықтау алгоритмдері үздіксіз зерттеліп, жетілдіріліп отырады. Мысалы, арна күйінің ақпаратын болжау және бағалау үшін терең оқыту сияқты жасанды интеллект технологияларын пайдалану, арнаны бағалаудың дәлдігі мен жылдамдығын арттыру.

Технологияның үздіксіз дамуы мен жетілуімен 5G желілерінде Massive MIMO технологиясын қолдану кеңірек және тереңірек болады. Болашақта Massive MIMO технологиясы тек макро базалық станцияларға қолданылып қана қоймайды, сонымен қатар микро базалық станциялар мен пико базалық станциялар сияқты шағын базалық станцияларда да ілгерілетіліп, желінің қамтуы мен өткізу қабілетін одан әрі оңтайландырады. Сонымен қатар, Massive MIMO технологиясы пайдаланушыларға жақсырақ және әртараптандырылған байланыс қызметтерін ұсыну үшін миллиметрлік толқындық байланыс және желіні кесу сияқты басқа 5G негізгі технологияларымен біріктіріледі. 6G технологиясын зерттеуде Massive MIMO технологиясы жоғары өнімділік мақсаттарына қарай жылжып, болашақ байланыс желілерін дамыту үшін берік негіз қалап, маңызды рөл атқара береді.