mmWave bei Smartphones: Wie Qualcomm das Unmögliche möglich gemacht hat



    Vor kurzem stellte Qualcomm die weltweit ersten voll integrierten 5G NR (mmWave) und Sub-6 GHz RF-Module für mobile Geräte vor. Bisher wurden mmWave-Signale aufgrund zahlreicher technischer Schwierigkeiten nicht für die mobile Kommunikation verwendet. Daher waren viele in der Branche davon überzeugt, dass dies einfach unmöglich ist. Wie die Schwierigkeiten überwunden wurden und welche Auswirkungen der Millimeterbereich auf 5G haben wird - in unserem Test unten.

    Bis zum Jahr 2020 wird der mobile Datenverkehr weltweit um das 30-fache im Vergleich zu 2014 wachsen und 8 Milliarden Gigabyte pro Tag betragen . 75% dieses Verkehrsaufkommens wird auf das Streaming von Multimediadaten entfallen. Dies geht aus der Prognose der 2016 veröffentlichten Nokia Bell Labs hervor, die sich noch immer erfüllt. Zur gleichen Zeit möchten mehr als 86% der Smartphone-Benutzer nach Umfragen das nächste Smartphone kaufen, das Internet würde schneller arbeiten, und 50% sind bereit, ein Smartphone mit 5G zu kaufen, sobald es verfügbar ist.

    Das Netzwerk der fünften Generation ist auf dem Weg. Sie bieten im Vergleich zu LTE eine zehnfach höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit und eine zehnmal schnellere Antwort (als Reaktion auf Berichte werden weniger Pings verstanden), doch haben viele Hersteller von Mobilgeräten erwartet, dass 5G für das Internet verwendet wird Dinge für Fernsteuerungsanwendungen, für die virtuelle Realität - im Allgemeinen für alles, aber nicht für gewöhnliche Verbrauchergeräte, die wir täglich bei uns tragen: Smartphones und Tablets. Dafür gibt es zwei grundsätzliche Gründe.

    Was sind die probleme


    Alle Vorteile von 5G in Form riesiger Benutzerdatenübertragungsraten und niedriger Pings sowie einer grundsätzlich größeren Netzwerkkapazität, durch die ein derartiges Serviceniveau für eine große Anzahl von Abonnenten gleichzeitig bereitgestellt werden kann, werden nicht mit einer Art Magie realisiert, sondern hauptsächlich durch die Verwendung einer größeren Bandbreite Frequenzen im Vergleich zu demselben LTE. Woher diese Frequenzen im Allgemeinen kommen, ist auch klar: Es müssen mehr und höhere Frequenzen verwendet werden. Wir kamen also zu Millimeterwellen (je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge, wir erinnern uns daran, dass aus dem Schulphysikkurs) oder mmWave: Dies ist der Bereich von etwa 24 bis 300 GHz. Für 5G wird der "niederfrequente" Teil dieses Bandes verwendet, insbesondere wurden bereits bestimmte Frequenzbänder zugewiesen, beispielsweise 26,50 bis 29,50 GHz (n257), 24,25 bis 27,50 GHz (n258).



    Neben den „hohen“ Frequenzen von mmWave in 5G werden auch Frequenzen unter 6 GHz verwendet, sie sind auch Sub-6 (zum Beispiel in Europa und hoffentlich in Russland sind es 3,4–3,8 GHz) - sie sind in erster Linie dafür gedacht Bereitstellung einer größeren Reichweite als im Fall des Millimeterbereichs, dh für den Aufbau von Makro-Netzwerken; Bei Geschwindigkeiten von einigen zehn Gigabit pro Sekunde, wie bei mmWave, ist hier keine Frage. Beide Bänder werden zur Übertragung von 5G-NR-Funkwellen verwendet. Die NR ist in diesem Fall New Radio, dh das neue Austauschprotokoll zwischen der Basisstation und dem Endgerät.

    Was ist also die Schwierigkeit im Millimeterbereich? MmWave widerspricht den Gesetzen der Physik nicht, aber es war wirklich schwierig, sie in einem kompakten Gerät wie einem Smartphone zu implementieren. Tatsache ist, dass Modems, die sowohl Sub-6 als auch mmWave unterstützen, kein vollständig vorgefertigtes Gerät sind, wie es ein Mann auf der Straße sieht, sondern nur einen Modulator / Demodulator im klassischen Sinne. Und es gibt immer noch Funkmodule, also Verstärker, Bandpassfilter usw., die aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und ihres Stromverbrauchs als unmöglich in den Formfaktor eines Smartphones zu implementieren galten.

    Im Allgemeinen werden Frequenzen über 24 GHz seit geraumer Zeit in der Funkkommunikation verwendet, beispielsweise für Richtfunkleitungen, die in direkter Sichtweite arbeiten, Satellitenkanäle und ähnliche feste Lösungen. Das Schlüsselwort ist festgelegt, da für stationäre Geräte keine Größen- und Gewichtsbeschränkungen gelten und der Energieverbrauch natürlich auch so installiert werden kann, dass diese direkte Sicht gewährleistet ist.

    Solche hohen Frequenzen zeichnen sich durch eine signifikante Dämpfung des Signals mit zunehmender Entfernung sowie eine größere Empfindlichkeit für Hindernisse aus: Der menschliche Körper, der Kopf und sogar der Arm können zu einem unüberwindlichen Hindernis für die Wellenausbreitung werden, und es gibt nichts über die Fähigkeit, in Gebäude einzudringen. Daher wurden für die mobile Kommunikation niemals Millimeterwellen verwendet. Es wurde angenommen, dass jede Lösung in den Abmessungen des Telefons entweder keine stabile Verbindung bereitstellen würde oder die Batterie sofort aufbrauchen würde, und höchstwahrscheinlich beide.



    Ein mmWave-Modemprototyp (links) 5G und ein Referenz-Smartphone, in das Sie ein handelsübliches 5G-Modem mit mmWave-Unterstützung einbetten können

    Die zweite Hürde bei der Einführung von mmWave in Smartphones war, dass diese Technologie eine extrem enge Installation von Basisstationen impliziert: Viele glauben, dass fast jeder Raum im Gebäude und in der Stadt - an jedem Laternenpfahl mit einem Abstand von 150-200 Metern, unterschiedlich ist Es muss eine Basisstation von einem Freund vorhanden sein, damit die Verwendung des Millimeterbereichs mindestens eine gewisse Bedeutung hat. Und da dies den Betreibern nicht sehr früh klar wird, ist es nicht notwendig, diese Bands in Smartphones zu integrieren.

    Die Qualcomm-Ingenieure sind jedoch der Ansicht, dass mmWave-Basisstationen im Großen und Ganzen nur für die Abdeckung in Innenräumen benötigt werden: Sie müssen den BS 5G nicht unter jeder Buchse für LTE und später - Sub-6 - einhängen Erfordert eine viel geringere Installationsdichte (und hier ist es eine Sünde, die Statistiken der Mobilfunkbetreiber nicht abzurufen, was besagt, dass bis zu 80% des Datenübertragungsverkehrs von den Räumlichkeiten erzeugt wird).

    Wer ist das Problem und wer ist die Aufgabe


    Auf der MWC in Barcelona zeigte Qualcomm 2017 einen funktionsfähigen Prototyp eines Datenübertragungssystems, das in mmWave bei 28 GHz in den Abmessungen eines Mobilgeräts arbeitet.

    Dank der Verwendung von adaptivem Bimforming und Bimtracking (Bilden eines gerichteten Signalstrahls zwischen dem Clientgerät und der Basisstation und Verfolgen seiner Bewegung relativ zur BS) wurde eine stabile Verbindung innerhalb eines fahrenden Autos in einem Bürogebäude (mit einem Signal, das durch nicht kapitalförmige Wände geleitet wird) mit sofortiger Strahlumschaltung erreicht "Zu einer anderen Basisstation und geschützt vor dem Blockieren des" Strahls "durch den Körper oder die Hand, die der Teilnehmer das Smartphone hält. Um einen Strahl im dreidimensionalen Raum sowohl an der Basisstation als auch auf der mobilen Vorrichtung zu bilden, werden Antennenarrays mit hohen Verstärkungsfaktoren verwendet: 128 bis 256 oder mehr Elemente an der BS und 4 bis 32 an dem Teilnehmerendgerät. In diesem Fall kann der Strahl indirekt sein: Die Antennenfelder steuern ihn unter Berücksichtigung der Reflexion von Wellen von umgebenden Objekten.



    Die Lösung für den Millimeterbereich basiert auf dem 5G-Modem Snapdragon X50, das die Installation mehrerer Antennen-Arrays unter der Vorder- und Rückseite des Smartphones unterstützt, die eine nahezu sphärische Abdeckung erzeugen und so das Problem der Schattierung der das Smartphone haltenden Hand beseitigen

    Die Module sind mit einem eingebauten Transceiver, einer integrierten Leistungsverwaltungsschaltung, Funkkomponenten der Eingangsstufen und Unterstützung für phasengesteuerte Antennenarrays ausgestattet. Das QTM052-Modul unterstützt Aggregationen von bis zu 800 MHz (8x100) in den Frequenzbereichen von 26,5 - 29,5 GHz (n257), 27,5 - 28,35 GHz (n261) und 37-40 GHz (n260). Die Module QPM5650, QPM5651, QDM5650 und QDM5652 unterstützen integriertes SRS-Switching, das zur Optimierung der Anwendungen der Massive MIMO-Technologie erforderlich ist. Sie arbeiten in den Bändern 3,4–4,2 GHz (n77), 3,3–3,8 GHz (n78) und 4,4–5,0 GHz (n79) und können ein Spektrum von 100 MHz nutzen. Die QPM-Serie unterscheidet sich von der QDM-Serie durch einen integrierten Leistungsverstärker (PA). Momentan werden Muster von QTM052 mmWave-Antennenmodulen und QPM56xx-Funkmodulen an Kunden gesendet.

    Bereit für die Kommerzialisierungslösung


    Oldtimer erinnern sich daran, dass vor dreißig Jahren dasselbe über CDMA gesagt wurde: Sie sagen, es wird zu schwierig sein oder wird überhaupt nicht funktionieren. Lassen Sie uns ein einfaches und unbeholfenes GSM machen. Qualcomm gelang es jedoch, CDMA in mobilen Geräten zu implementieren, und derselbe CDMA-800 in den neunziger Jahren (Verbreitung in den Vereinigten Staaten, Korea und einigen anderen Ländern) war GSM in jeder Hinsicht überlegen. Als es an der Zeit war, analoge Netze auszuschalten, beispielsweise NMT-450, kam CDMA auch dazu, um sie zu ersetzen - übrigens wurde Sky Link in Russland in CDMA-450 der erste mobile Breitbandbetreiber: Zu Beginn des Nullpunkts gab es bereits Geschwindigkeiten von ein paar Megabits pro Sekunde während GSM-Betreiber gerade erst anfingen, EDGE zu starten. Bei der Entwicklung von 3G (UMTS) übernahmen sie die von Qualcomm bereits 1989 implementierte Technologie: WCDMA (Wideband CDMA) ist in der Tat die gleiche CDMA.

    Jetzt wiederholt sich die Situation. In diesem Sommer haben sich Prototypen mit Unterstützung von wwWave zu einer kommerziellen Fertiglösung für 5G-Smartphones entwickelt, dank der die ersten Produktionsgeräte nächstes Jahr erscheinen werden. Dies sind die ersten voll integrierten 5G NR QTM052-Module für mmWave- und Funkmodule, die Frequenzen bis 6 GHz QPM56xx unterstützen. Sie sind mit Qualcomm Snapdragon X50 5G-Modems kompatibel und müssen lediglich zwischen dem Modem und der Antenne hergestellt werden. Das Modem unterstützt bis zu vier dieser Module gleichzeitig, sodass unterschiedliche Frequenzbänder verwendet werden können.

    Im Allgemeinen freuen wir uns auf das Jahr 2019, das die Ereignisse in der Welt von 5G auf den neuesten Stand bringen wird.

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