Что дает 5G
Сегодня самым свежим поколением мобильной связи является 4G. И вроде как неплохо работает: у всех в смартфонах есть мобильный интернет. Но количество человек, которые постоянно онлайн, будет увеличиваться: по данным за 2017 год почти половина населения Земли пользуется интернетом, а показатели выросли в три раза за последние 10 лет. Кроме того, современные разработки в области Интернета вещей недвусмысленно говорят о том, что скоро общаться между собой по беспроводной связи начнут и машины. Технологии умных городов потребуют огромного количества датчиков и всевозможных вспомогательных систем, которые стопроцентно будут взаимодействовать между собой по беспроводным сетям (ведь не подключите же вы автономный автомобиль по оптоволокну к светофору). Сегодняшний стандарт 4G уже недостаточно эффективен для передачи такого большого объема информации.
Но почему? Чтобы понять ответ на бытовом уровне, вспомните, когда вы в последний раз были на каком-нибудь крупном мероприятии с бесплатным Wi-Fi. Возможно, когда вы пытались открыть программу события, интернет сильно тормозил, а вы невольно восклицали: «Да просто слишком много людей подключено!» Ожидается, что с сетями 5G такой проблемы возникнуть не должно.
Это станет возможно благодаря двум ключевым технологиям радиодоступа. Первая – это Massive-MIMO (MultipleInputMultipleOutput). Ее суть заключается в том, что на прием и передачу сигнала работает не одна антенна, а множество, объединенных в единое устройство – антенную решетку. Для этого сигнал как бы «делится» на составляющие, и каждая часть передается по своему пространственному каналу. Иными словами, с использованием MIMO скорость передачи данных увеличивается пропорционально числу антенных элементов. В Massive-MIMO количество таких элементов может насчитывать сотни. С другой стороны, такие антенные решетки позволяют создавать несколько узконаправленных лучей и таким образом сокращать помехи для пользователей сети и в конечном итоге также повышать скорость передачи данных.
Другая важная особенность 5G – это использование миллиметровых волн, то есть волн с длиной волны до одного сантиметра. Им соответствуют частоты радиоизлучения от 30 ГГц до 300 ГГц. Это очень высокие частоты: для сравнения, системы 4G работают в пределах 3 ГГц. Почему круто увеличивать частоту? Дело в том, что чем она выше, тем больше количество каналов, которые могут одновременно использовать множество различных девайсов (смартфонов, датчиков, других устройств), что увеличивает скорость передачи сигнала от каждого устройства в отдельности. Более того, волны такой длины позволяют делать более маленькие антенны, малогабаритные и энергоэффективные устройства. Однако недостаток таких волн в том, что у них малая дальность распространения.
О чем SILIKA
Миссия SILIKA заключается в создании технологической основы для будущих сетей 5G, а именно для Massive-MIMO антенн-решеток в миллиметровом диапазоне волн. Исследователи занимаются разработкой новых энерго- и экономически эффективных антенных структур, которые будут интегрированы с радиоэлектронными приборами на основе технологии BiCMOS. Также разрабатываются новые методики обработки сигналов. Как сообщается на сайте проекта, такая разноплановая работа требует сотрудничества ученых из разных отраслей, а также представителей технологического бизнеса.
Основные академические партнеры проекта SILIKA – это технический университет Эйндховена в Нидерландах, технический университет Чалмерса в Швеции, а также Левенский католический университет в Бельгии. Среди индустриальных партнеров самым крупным игроком является компания Ericsson. У SILIKA есть и образовательная цель: в проекте на постоянной основе участвуют 12 аспирантов из европейских вузов. Также для участия в разработке приглашаются исследователи из других университетов. Таким исследователем стал и аспирант Университета ИТМО Антон Гусаров.
Стажировка в SILIKA
В проекте SILIKA Антон занимался численным моделированием и оптимизацией излучающих элементов для Massive-MIMO. Необходимо было подтвердить, что можно получить определенные характеристики антенных элементов, которые позволят интегрировать антенны с усилительным трактом и использовать их в составе больших решеток. Задача была выполнена, и, как следствие, была определена базовая конструкция антенного элемента для дальнейшей разработки.
На исследовательскую стажировку в проекте SILIKA Антона пригласила профессор технического университета Чалмерса в Гётеборге Марианна Ивашина, с которой он познакомился еще во время учебы в магистратуре Королевского технологического института в Стокгольме. А на учебу в Швецию Антон поехал по стипендиальной программе Visby Шведского института после первого года магистратуры в Университете ИТМО по специальности «Суперкомпьютерные технологии в междисциплинарных исследованиях» на кафедре высокопроизводительных вычислений.
«Во время обучения в магистратуре студенты обычно участвуют в исследованиях, проводимых на кафедре ВПВ. В частности, я изучал алгоритмы распространения информации по комплексным сетям различной топологии. Это больше абстрактная теория, однако мне было интересно, как эти идеи можно применить для построения принципиально новых алгоритмов сетей мобильной связи. Ведь беспроводные сети, а особенно беспроводные сети будущего, также представляют собой множество связанных между собой элементов, которые обмениваются друг с другом информацией и адаптивно оптимизируют свое поведение исходя из текущей ситуации. То есть в будущих сетях, в том же Интернете вещей, большую роль будут играть автономность и децентрализация способов передачи данных между узлами сети», – прокомментировал Антон Гусаров.
В мотивационном письме для стипендии Visby Антон описал, как его исследовательская работа в Университете ИТМО связана с образовательной программой в шведском университете. Для получения стипендии типа Visby очень важно конкретно описать, чем именно вы хотите заниматься и как образование в другой стране поможет в решении актуальных задач в родной стране, подчеркнул Антон. Таким образом, в Королевском технологическом институте он продолжил свое образование в области телекоммуникаций, но с более углубленной теоретической подготовкой, используя в том числе опыт, полученный в Университете ИТМО. А затем уже во время аспирантуры научный руководитель Антона по шведской магистратуре пригласила его поработать над задачей в проекте SILIKA.
«Исследовательские центры так или иначе стремятся к расширению круга научных контактов и привлечению молодых и амбициозных ученых. Поэтому в проекты периодически приглашают специалистов из других университетов, чтобы вместе решать возникающие сложности. Так как Швеция – маленькая страна, то огромную роль играют и личные контакты, а также репутация внутри узкого сообщества специалистов: часто приглашают тех, с кем уже когда-либо сотрудничали и кого знают лично. Хотя, в целом, это общая практика в научном мире. Так вышло и со мной. Я смог привнести в проект SILIKA опыт, который я получил в Университете ИТМО», – сказал Антон.
Текущая научная работа аспиранта в Университете ИТМО связана со статистическим анализом результатов компьютерного моделирования сложных физических процессов. Например, в рамках одного из проектов он реализовал метод статистической коррекции модельных полей ветра в Арктике по имеющимся открытым данным наблюдений.
Стажировка и soft skills
После получения степени кандидата наук Антон Гусаров хочет продолжить карьеру в R&D в индустрии. Знания и навыки, полученные на стажировке в SILIKA, помогли оценить значение и так называемых надпрофессиональных компетенций, softs kills.
«Понимание того, как работают над крупными проектами в Европе, помогает осмыслить, что лежит в основе успеха в прикладных научных исследованиях. Так, особенность научной работы в европейских вузах заключается в очень серьезном подходе к менеджменту и координации процессов научного исследования. Конечно, наука – это творческий процесс, который требует гибкости. Но в конечном итоге применение принципов менеджмента проектов к научным исследованиям работает на успех команды. Также особенностью именно шведской системы является постоянная коммуникация как с научным руководителем, так и с коллегами, регулярные брифинги по текущим результатам и ярко выраженные горизонтальные связи. Однако в Швеции очень важно, чтобы аспирант с самого начала проявлял инициативу и был способен к самостоятельной работе, ведь зачастую именно он несет ответственность за успех или неудачу своей научной работы», – сказал молодой ученый.
