Сердце связи нового поколения: малошумящий узел меняет возможности мобильных сетей

Во Владимирской области запускается научный проект, связанный с развитием перспективных систем связи пятого и шестого поколений. Речь идет о создании формирователей сигналов — базовых электронных узлов, от которых напрямую зависят скорость передачи данных и устойчивость связи к помехам. Работы рассчитаны на два года и уже получили финансовую поддержку. Об этом сообщает ТАСС.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Прототип чипа 6G

Зачем системам 5G нужны новые формирователи сигналов

Современные сети мобильной связи предъявляют все более жесткие требования к аппаратной части. Формирователь сигналов считается одним из ключевых элементов любой радиосистемы, поскольку именно он задает параметры сигнала, который передается через антенны базовых станций. В этом сигнале закодирована вся пользовательская информация — от потокового видео и фотографий до служебных данных.

Как пояснил один из авторов проекта, кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники Муромского института — филиала Владимирского государственного университета Кирилл Якименко, уровень собственных шумов формирователя напрямую влияет на характеристики сети.

"Формирователь сигналов — это "сердце" каждой радиосистемы. Он генерирует для антенн сигнал, в котором зашифрована запрашиваемая пользователем информация. Чем ниже уровень собственных шумов формирователя, тем выше помехоустойчивость системы связи и скорость передачи данных", — отметил доцент кафедры радиотехники МИ ВлГУ Кирилл Якименко в комментарии ТАСС.

Для сетей 5G это особенно критично, поскольку они рассчитаны на одновременную передачу больших массивов данных, поддержку интернета вещей и работу в плотной городской среде, где уровень внешних помех постоянно растет, включая сценарии, связанные со скрытой активацией гаджетов.

Учет требований будущих стандартов связи

Проект Муромского института ориентирован не только на существующие технологии. При разработке новых формирователей сигналов исследователи сразу закладывают требования, характерные для систем шестого поколения. Это означает работу с более высокими частотами, повышенной плотностью каналов и более строгими параметрами энергоэффективности.

По сути, речь идет о создании универсального аппаратного решения, которое сможет применяться как в текущих телекоммуникационных сетях, так и в будущих инфраструктурах связи. Такой подход позволяет заранее адаптироваться к технологическим изменениям и сократить время внедрения новых стандартов.

Грант РНФ и этапы реализации проекта

Разработка формирователей сигналов ведется при поддержке гранта Российского научного фонда. Финансирование рассчитано на два года и предполагает четкое разделение работ по этапам.

"В течение первого года мы планируем провести теоретические исследования и опубликовать научные работы, а в течение второго — приступить к макетированию и сборке лабораторного образца", — сообщил Кирилл Якименко.

Научный коллектив состоит из четырех человек, включая двух магистрантов. По словам руководителя проекта, привлечение студентов к прикладным исследованиям является осознанной стратегией института, поскольку позволяет готовить специалистов, уже знакомых с реальными задачами радиотехники и телекоммуникаций.

Новый подход к снижению шумов и энергопотребления

Исследования в области малошумящих формирователей сигналов активно ведутся в разных странах, включая Китай, государства Запада и Россию. Команда ВлГУ учитывает существующие наработки, но предлагает собственный инженерный подход.

"Мы предлагаем новый подход к формированию сигналов, основанный на использовании спектральных компонентов в высоких зонах Найквиста. Ожидается, что это позволит снизить уровень шумов формирователей, а также повысить их энергоэффективность", — подчеркнул ученый Кирилл Якименко.

Повышение энергоэффективности особенно актуально для базовых станций 5G, которые работают в условиях высокой нагрузки и требуют оптимизации энергопотребления, аналогично задачам, решаемым при оптической связи в глубоком космосе.

Применение за пределами телекоммуникаций

Хотя проект ориентирован прежде всего на системы мобильной связи нового поколения, сфера применения малошумящих формирователей сигналов значительно шире. Такие устройства востребованы в радиолокации, измерительной технике, системах дистанционного зондирования Земли и других направлениях современной радиотехники.

Низкий уровень фазовых шумов положительно сказывается на тактико-технических характеристиках любой радиосистемы. Улучшается дальность действия, возрастает устойчивость к помехам, повышается точность измерений.

"Низкий уровень фазовых шумов формирователя способствует улучшению тактико-технических характеристик любой радиосистемы. В этом плане наш проект достаточно универсален, и мы надеемся, что полученные результаты будут использоваться инженерами-разработчиками при проектировании перспективных радиосистем", — добавил Кирилл Якименко.

Сравнение: традиционные формирователи и новые решения для 5G/6G

Классические формирователи сигналов, применяемые в сетях предыдущих поколений, ориентированы на более узкий диапазон частот и менее строгие требования по шумам. В системах 5G и 6G ситуация иная: возрастает роль высокочастотных компонентов, цифровой обработки сигналов и энергоэффективных схем.

Новые решения, разрабатываемые во Владимирской области, делают акцент на снижении собственных шумов и работе в расширенных зонах Найквиста. Это позволяет повысить стабильность связи без радикального усложнения архитектуры базовых станций и без кратного роста энергопотребления.

Плюсы и минусы разработки малошумящих формирователей

Разработка новых формирователей сигналов имеет ряд очевидных преимуществ, но связана и с определенными ограничениями. Прежде всего, такие решения позволяют повысить скорость передачи данных и устойчивость связи, что критично для 5G-сетей, работающих с потоковым видео, облачными сервисами и промышленным интернетом вещей. Дополнительным плюсом становится универсальность применения — от телекоммуникаций до радиолокации.

В то же время высокие требования к элементной базе и точности расчетов усложняют процесс разработки. На ранних этапах это может увеличивать сроки исследований и стоимость опытных образцов. Однако в долгосрочной перспективе такие инвестиции окупаются за счет более эффективных и надежных радиосистем.

Советы шаг за шагом: на что обращать внимание при разработке формирователей сигналов

При проектировании формирователей для современных сетей связи важно последовательно учитывать несколько факторов. Сначала проводится анализ требований стандартов 5G и перспективных спецификаций 6G. Затем выбирается архитектура, обеспечивающая минимальный уровень шумов. После этого оценивается энергоэффективность схемы и ее совместимость с существующими базовыми станциями. Финальным этапом становится лабораторное макетирование и тестирование в условиях, приближенных к реальной эксплуатации.

Популярные вопросы о разработке формирователей сигналов для 5G и 6G

Чем формирователь сигналов отличается от других компонентов базовой станции?

Формирователь задает параметры сигнала и напрямую влияет на его качество, тогда как усилители и антенны работают уже с готовым сигналом.

Сколько времени занимает создание лабораторного образца?

В рамках текущего проекта на это отводится второй год работ после завершения теоретических исследований.

Что лучше для сетей будущего — модернизация старых решений или разработка новых?

Для 6G более эффективным считается создание новых архитектур, изначально рассчитанных на высокие частоты и низкий уровень шумов.