Фото: «Мир Белогорья»
С 2020 года в мире начнут тестировать 5G. И здесь без новых технических решений не обойтись. Белгородские ученые Дмитрий Ушаков и Иван Старовойт разработали уникальную технологию формирования и обработки сигналов, которые могут использоваться как в современных системах связи, так и в технологиях связи будущего. Главные преимущества – очень высокая скорость и качество передачи сигнала, несмотря ни на какие помехи в эфире.
Немного поясним. Как работает беспроводная система связи? Абонентское устройство, будь то обычный телефон, смартфон, планшет или ноутбук с модемом, при выходе в Интернет связывается с ближайшей базовой станцией сети оператора мобильной связи с помощью электрических сигналов, которые передаются в радиоэфире. От того, какой вид и свойства эти сигналы имеют, зависят основные параметры связи: насколько быстро идет соединение с сетью, как далеко работает связь, надежна ли она или постоянно обрывается и т. д. Созданием таких, но только более совершенных сигналов и занимается доцент института инженерных технологий и естественных наук НИУ «БелГУ», кандидат технических наук Дмитрий Ушаков.
Так, белгородский ученый разработал метод формирования сигналов, который позволил бы увеличить скорость существующих технологий доступа: WiFi, WIMAX и LTE, – на 25 %! То есть качество мобильной связи было бы лучше, а картинки, музыка, видеоролики загружались бы ощутимо быстрее. Однако данные технологии сильно регламентируются международными стандартами, и внедрить в них специальные методы крайне проблематично.
Исследовательская работа на этом не закончилась. Совершенствование актуальных систем связи – это, безусловно, важно, но разработки, связанные с мобильной сетью нового поколения, – игра на опережение, которой так часто не хватает российским ученым. Вместе с доцентом НИУ «БелГУ», кандидатом технических наук, Иваном Старовойтом Дмитрий Ушаков начал трудиться в этом направлении.
«Мы хотели предложить новый класс сигналов для этой отрасли, которые позволили бы повысить эффективность систем: скорость передачи, дальность и устойчивость связи – на базе программно-определяемых устройств. Благодаря полученному президентскому гранту мы разработали новый подход к формированию уникальных адаптивных сигналов, не имеющих аналогов в мире, которые могут найти свое применение в интеллектуальных системах радиодоступа», – рассказал Дмитрий Игоревич.
Здесь требуется еще одно небольшое отступление. Сегодня большинство пользуется беспроводным доступом в Интернет с помощью технологии LTE (или, как ее еще называют, 4G). Она позволяет быстро загружать различные сайты, смотреть видео высокого разрешения, заливать в сеть собственные ролики, пользоваться различными сетевыми сервисами и т. д. Но всегда хочется большего – еще более высокой скорости загрузки, чуть ли не моментальной заливки любой информации. Это в значительной степени подстегивают смартфоны, оснащенные мощными камерами, дисплеями высокого разрешения. А для того, чтобы иметь возможность использовать потенциал таких устройств по максимуму, нужны еще более совершенные системы связи.
Справиться с огромным объемом трафика и подключенных к Интернету устройств (по некоторым прогнозам, к 2020 году их численность достигнет 20 млрд) сможет сеть нового поколения 5G. Она даст возможность передавать данные со скоростью 1 Гигабит/сек для двигающегося абонента, иметь минимально возможные задержки в сети менее 1 мс, на одну соту может приходиться до 10 тыс. абонентов. Такая сеть объединит все существующие отдельные технологии доступа в единую инфраструктуру. Особое внимание уделяется сенсорным сетям, которые работают в «умных» домах, телеметрии и автомобильных приложениях. Получается такая единая сетевая среда, которая будет строиться преимущественно на новых технологиях с применением облачных и интеллектуальных систем. Вот такой технологический облик мобильных сетей будущего.
«Всё это станет возможным, если устройства в таких сетях будут иметь гибкую архитектуру и смогут адаптироваться к тем условиям, в которых они работают, – пояснил Дмитрий Ушаков. – Это можно реализовать с помощью устройств, все настройки и параметры которых задаются программно, а сами устройства имеют не большие габариты, большую вычислительную мощность и при этом могут работать с различными технологиями и системами связи одновременно».
Проще говоря, развитие систем связи требует все большей мобильности и приспосабливаемости устройств, которые в ней используются. В выигрыше будут те, кто сможет предложить самое универсальное, максимально адаптируемое решение.
Основная идея разработки белгородских ученых – позволить системе связи адаптироваться под среду передачи и радиоэфир. Представьте себе систему связи, которая обладает некоторым интеллектом, то есть умеет «думать». Она анализирует радиоэфир и автономно принимает решение, на какой частоте ей нужно передавать информацию, как работать и с какой скоростью, в каких участках спектра присутствуют сильные помехи и как их лучше обойти и т. п.
«Применяя разработанные сигналы, мы можем максимально реализовать огромные потенциальные возможности таких систем, учитывая их специфику, и обеспечить их соответствие тем требованиям, которые предъявляются для систем радиодоступа такого класса», – пояснил Дмитрий Ушаков.
Разработанный вариант сигнала получил название ASEMT Signal (Adaptive spectral efficient multi tone signal), что в переводе означает «спектрально-эффективный адаптивный многочастотный сигнал». Он может стабильно передавать информацию независимо от помех в радиоэфире, большой загрузки частот, а также при наличии различных узкополосных помех и сигналов других радиостанций. С помощью программно-конфигурируемого ядра устройства и за счет знаний об особенностях канала связи такой сигнал способен адаптироваться к любой среде передачи.
«Благодаря такому сигналу можно «огибать» нежелательные помехи и частотные диапазоны других передатчиков. Таким образом, радиочастотный спектр будет использоваться более эффективно, не создается помех для работы других устройств, а главное, передавать данные можно будет в тех участках спектра, где раньше такой возможности не было», – рассказал ученый.
Конечно, в России и мире существуют аналогичные способы эффективной передачи информации. По своим техническим возможностям они примерно равны: максимальная скорость передачи, низкий уровень нежелательных излучений, совместимость с существующими сигналами и технологиями. Белгородская разработка уступает существующим аналогам только в одном – вычислительной сложности, однако наши ученые работают над этим. Но самое главное, что перед всеми существующими аналогами ASEMT Signal имеет неоспоримое преимущество – способность подстраиваться под электромагнитную обстановку в радиоэфире лучше и эффективней других. По сути мы говорим об «умном» сигнале, который не только эффективно выполняет свои функции, но способен не терять в качестве практически в любой обстановке. Будущее – именно за такими технологиями.
«Мы не использовали и не копировали чужие технологии, а разработали свое оригинальное решение под требуемые задачи. Мы реализовали лучшее, учитывая, что наши разработки могут лечь в основу новых систем беспроводного доступа следующего поколения», – рассказал Дмитрий Ушаков.
От технических тонкостей переходим к практической пользе. В первую очередь новая технология найдет применение там, где используются беспроводные роутеры. Она позволит не только поддерживать существующие стандарты WiFi-систем, но и работать более устойчиво при наличии любых помех.
«В случае использования разработанной технологии сразу решается проблема WiFi-систем в многоквартирных домах, когда множество точек доступа с соседних квартир и этажей пытаются работать на одних и тех же частотных каналах, и в результате качество такой связи резко снижается. Интеллектуальное ядро будет оценивать ситуацию в радиоканале и адаптировать сигнал под существующие препятствия и помехи, при необходимости изменяя несущую частоту», – рассказал Дмитрий Игоревич.
Как мы уже говорили, еще одна сфера применения разработанного сигнала – «умный» дом. В нем устанавливается беспроводной маршрутизатор с интеллектуальными функциями, который управляет потоками данных от всех остальных подключенных сетевых и мультимедийных устройств. Этот маршрутизатор создает единую сеть со всеми доступными гаджетами (естественно, с разрешения пользователя) и объединяет их воедино.
«Пользователь на своем планшете или смартфоне с помощью простого приложения может выводить изображение или видео на любое устройство, которое находится в этой сетевой области. Например, можно перенаправить видеопоток со спутникового ресивера на свой смартфон, подключить IP-камеру и транслировать с нее изображение на телевизор. Или со своего смартфона транслировать видео на монитор, установленный в другой комнате. И все это без проводов и дорогостоящих HDMI-кабелей», – рассказал белгородский ученый.
И это только малая часть возможных сценариев использования. Да, зарубежные аналоги такой технологии есть, но стоимость их доходит до 1 тыс. долларов США, а функционал куда более узок. Отечественный продукт обойдется в несколько раз дешевле.
А еще новую разработку по достоинству оценят путешественники, геолого-разведывательные службы, различные экспедиции и те, кто хочет всегда оставаться на связи. Технология может использоваться в специальных устройствах, снабженных аккумуляторами, солнечными панелями для подзарядки и портативной спутниковой антенной. Даже в глухом лесу или тайге всегда есть возможность направить антенну в небо и через спутники, которые находятся на орбите, осуществлять связь. На сегодняшний день устройств с такими возможностями на коммерческом рынке не может предложить ни один мировой производитель.
«В планах не останавливаться на достигнутом, – рассказал Дмитрий Ушаков. – Технологии постоянно развиваются. Главный двигатель их развития – абонент. Ему всегда мало предоставляемых услуг и скорости передачи данных, поэтому и технологии будут постоянно совершенствоваться и адаптироваться под требования абонента».
