В 100 раз быстрее, чем 5G: новый чипсет разгонит интернет до 640 Гбит/с

Исследователи уже трудятся над разработкой следующего поколения беспроводных сетей.

Ученые из Токийского технологического института в сотрудничестве с Национальным институтом информационных и коммуникационных технологий Японии совершили прорыв в области беспроводной связи, разработав чипсет со скоростью передачи данных 640 Гбит/с.

Чипсет изготовлен по технологии КМОП (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник), что делает его производство относительно недорогим и пригодным для массового выпуска. В настоящее время для удовлетворения растущего спроса на высокоскоростной беспроводной интернет и передачу больших объемов данных используются миллиметровые волны.

Сети пятого поколения мобильной связи 5G работают на частотах 24-47 ГГц и обеспечивают скорости передачи данных до 10 Гбит/с. Однако следующее поколение беспроводных сетей будет использовать диапазон 110-170 ГГц, для которого требуются новые типы микросхем. На таких высоких частотах возрастает риск ослабления сигнала, поэтому чипсет должен быть сконструирован так, чтобы генерируемый сигнал сохранял свою мощность.

Набор чипов с пропускной способностью 640 Гбит/с создан под руководством профессора Кэнити Окады по 65-нм кремниевой технологии и имеет полосу пропускания 56 ГГц. Передающий компонент чипа размером всего 1,87 x 3,30 мм, а приемный — 1,65 x 2,60 мм.

Чипсет оснащен широким спектром усилителей для улучшения качества связи: малошумящие усилители повышают силу сигнала, минимизируя шумы, а распределенные усилители улучшают его линейность. Встроенный преобразователь частоты позволяет настраивать необходимый диапазон.

Для оценки возможностей устройства исследователи подключили к нему внешнюю антенну, используя волноводный, а не линейный формат передачи данных.

С сигналом 32 QAM (32-позиционная квадратурная амплитудная модуляция) и символьной скоростью 40 Гбод была достигнута скорость 200 Гбит/с при коэффициенте ошибок менее 10^-3. При использовании 16 QAM модуляции удалось получить 120 Гбит/с на расстоянии около 15 метров.

В конфигурации с множественными входами и выходами (MIMO), когда к 4 передатчикам и 4 приемникам были подключены отдельные антенны для независимых потоков данных, на каждой антенне при 16 QAM модуляции достигалась скорость 160 Гбит/с, что в сумме дало рекордные 640 Гбит/с — в 100 раз быстрее, чем у современных систем 5G.

«Предложенный чипсет имеет большие перспективы для следующего поколения беспроводных сетей, необходимых для автоматизированного вождения, телемедицины и передовых приложений виртуальной реальности», — заявил профессор Окада.

Результаты исследования были представлены на симпозиуме IEEE по технологиям и схемам СБИС, проходящем на этой неделе в Гонолулу, США.

 

5G вместо Wi-Fi: Vodafone предложила сверхкомпактные базовые станции на основе Raspberry Pi

По мере экспансии 5G-технологий в мире, расширяется и сфера применения связи пятого поколения — технология посягает на области, в которых прежде всегда доминировали Wi-Fi и иные беспроводные решения. Как сообщает IEEE, в Великобритании Vodafone представит в этом месяце частную базовую 5G-станцию на основе Raspberry Pi, сравнимую по габаритам с домашним роутером.

Компания объединила усилия с британской Lime Microsystems для выпуска на краудфандинговой основе наборов 5G-станций стоимостью от $800 до $12 тыс. Прототип одной из 5G-микросот демонстрировался в феврале 2023 года. Он полностью совместим со спецификациями OpenRAN и может формировать как частные 5G-сети, так и исполнять роль шлюза к публичной сети Vodafone.

В компании уверены, что многие захотят получить свою маленькую частную 5G-сеть. Пока предполагается использование в основном компаниями и организациями, хотя в проекте смогут участвовать даже отдельные эксперты. Так, коммерческие компании могут повысить защиту беспроводной сети, поскольку для подключения требуется SIM-карта, а не просто пароль как в случае Wi-Fi. Но можно наоборот упростить доступ. В качестве примера в Vodafone привели пекарню с собственной 5G-сетью, для подключения к которой достаточно просто войти в здание.

По словам компании, частные 5G-сети незаменимы в случае чрезвычайных ситуаций и спасательных операций. Например, беспилотник с 5G-станцией сможет летать над зоной бедствия. Любой гаджет с совместимой SIM-картой будет регистрироваться в такой сети, передавая уникальную информацию для идентификации и позволяя не только найти пострадавших, но и получить о них дополнительные сведения. Наконец, 5G предлагает более низкую задержку, а в случае высоконагруженных сетей может быть до десяти раз быстрее Wi-Fi.

В самих частных 5G-сетях нет ничего нового. Например, Amazon предлагает сервис AWS Private 5G, а Verizon — и вовсе довольно компактное решение размером с фургон. Правда, до субкомпактных базовых станций на основе Raspberry Pi им очень далеко.

Китайские учёные создали «всечастотный» чип для 6G — 100 Гбит/с почти в любых условиях

Для обработки широкого спектра приёмопередающих частот обычно требуется целый набор микросхем, что ограничивает размеры устройства, повышает его стоимость и увеличивает энергопотребление. Поэтому связь в отдалённых районах может быть либо быстрой и дорогой, либо доступной и медленной. Китайские учёные обещают исправить этот перекос, представив универсальный «всечастотный» чип для связи 6-го поколения.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, технология способна обеспечивать скорость мобильного интернета свыше 100 Гбит/с по всему спектру беспроводной связи, включая диапазоны частот, используемые в отдалённых районах. Подобная возможность реализуется благодаря гибридной «фотон-электронной» платформе, в которой радиочастоты преобразуются в частоты оптического диапазона, а все операции выполняются в оптическом модуляторе с использованием лазеров.

Весь комплекс преобразователей и лазеров помещается в один чип размером 1,7 × 11 мм. Он работает в диапазоне от 0,5 до 115 ГГц — для этого ранее потребовалось бы до девяти отдельных радиочастотных компонентов. Также заявлена рекордная скорость перестройки рабочих частот, необходимая для поддержания устойчивой связи в условиях помех или одновременной работы множества устройств в местах массового скопления людей.

«Один чип теперь заменяет то, что раньше требовало нескольких специализированных устройств, обеспечивая действительно универсальную обработку и динамическую настройку частоты, — утверждают разработчики. — Он обеспечивает беспрецедентный баланс между размерами, энергопотреблением и производительностью».

В дальнейшем учёные планируют создать универсальный приёмопередатчик в формате USB-модуля, чтобы обеспечить широкополосной связью без компромиссов любое устройство — от дронов и компьютеров до смартфонов.

Открыт новый физический эффект, способный повлиять на развитие связи 6G

Коллектив исследователей из Университета Кайзерслаутерн-Ландау (RPTU) продемонстрировал новый физический эффект, который может оказать влияние на развитие систем связи будущего, включая перспективный стандарт 6G. Учёным удалось достичь сильной связи между миниатюрными звуковыми и спиновыми волнами в специальном материале — железо-иттриевом гранате, что привело к формированию гибридных волн в гигагерцевом диапазоне.

Это открытие указывает на возможный путь создания гибких и перестраиваемых фильтров для обработки сигналов. Акустические фильтры, используемые сегодня, например, в смартфонах для разделения сигналов мобильных сетей, Wi-Fi и GPS, основаны на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Исследовательская группа под руководством профессора Матиаса Вайлера работает над интеграцией этой проверенной технологии с физикой спинов.

Профессор Вайлер пояснил, что звуковые волны могут распространяться не только в воздухе, но и в веществе, заставляя колебаться атомы кристаллической решётки материала. Электроны этих атомов обладают квантовым спином, который также реагирует на вибрации. В магнитоупорядоченных материалах это взаимодействие позволяет звуковым волнам генерировать спиновые волны. Для экспериментов был выбран железо-иттриевый гранат — ферримагнитный изолятор, известный своим длительным временем жизни спиновых волн, что делает его идеальным для наблюдения за микроскопическими взаимодействиями.

Эксперименты показали, что в наноструктурированном акустическом резонаторе система генерировала гибридные возбуждения, называемые магнонными поляронами. Кевин Кюнстле, первый автор статьи, отметил, что квантовомеханическая связь спина и звука приводит к формированию новой химерной волны, которая не является ни чисто звуковой, ни спиновой. В этом возбуждении спин и звук больше не могут быть разделены и сосуществуют. Исследователи обнаружили, что гибридная волна периодически осциллирует между звуковым и спиновым состояниями с частотой, превышающей все скорости потерь в системе, что является явным свидетельством режима сильной связи. Теоретическая модель, разработанная совместно с группой профессора Акашдипа Камры, подтвердила экспериментальные данные.

По словам учёных, этот результат объединяет две основные технологии СВЧ-диапазона. Профессор Вайлер заявил, что гибридные спиново-звуковые возбуждения сочетают в себе два столпа микроволновой техники: акустические фильтры и ферримагнитные изоляторы. Такой подход может позволить создавать частотные фильтры, способные адаптироваться и перенастраиваться непосредственно в процессе работы. Эта способность крайне важна для будущих архитектур связи 6G, которые будут зависеть от гибкого и отзывчивого управления сигналами.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.