Экономично и эффективно
Технологию расширения покрытия мобильных сетей создали в МФТИ
Ученые Московского физико-технического института разработали прототип настраиваемой интеллектуальной поверхности, оптимизирующей путь распространения сигнала от вышки сотовой связи. Технология способна увеличить покрытие и пропускную способность мобильных сетей без расходов на модернизацию инфраструктуры. Статья была опубликована в журнале первого квартиля Computer Networks.
Фото: МФТИ
Фото: МФТИ
Важнейшая проблема современных беспроводных сетей — увеличение покрытия и пропускной способности без дорогостоящей модернизации инфраструктуры. Ученые МФТИ предлагают решить ее с помощью реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (РИП). Они оптимизируют путь распространения сигнала, отражая и перенаправляя его оптимальным образом.
РИП состоят из большого количества отражающих элементов, которые могут менять фазу падающего на них сигнала. Настройкой РИП можно управлять, устанавливая изменение фазы на каждом элементе так, чтобы сфокусировать или перенаправить сигнал на принимающее устройство. Преимущество РИП заключается в том, что они гораздо дешевле в производстве и установке, чем базовые станции сотовых сетей, а также требуют на порядки меньше энергии для работы.
«Обычно РИП контролируются базовыми станциями, что требует их глубокой интеграции в системы операторов связи и тормозит развертывание сетей. Мы предлагаем инновационный, ориентированный на пользователя подход, при котором мобильные устройства сами управляют настройками РИП и могут самостоятельно повысить мощность сигнала без вмешательства оператора. Этот подход значительно улучшает качество подключения, особенно для пользователей на границе соты, как в помещении, так и на улице»,— рассказал один из авторов статьи, преподаватель кафедры проблем передачи информации и анализа данных МФТИ Илья Буртаков.
Разработанная система в реальном времени собирает и использует измерения мощности сигнала с мобильных устройств для настройки РИП и оптимизации производительности. Управлять ею смогут сами пользовательские устройства автоматически.
На данном этапе авторы работают над созданием улучшенного прототипа системы. Первый образец показал эффективную работу в диапазонах до 6 ГГц. Он способен увеличивать скорость передачи данных в восходящем или нисходящем потоке в два раза.
«Настройка системы основана на алгоритме сканирования лучом и занимает менее шести секунд — намного меньше времени, чем существующие подходы, например, использующие нейронные сети. Решение не нуждается в стандартизированной поддержке оператора. Все это делает его более экономичным и энергоэффективным»,— объясняет Илья Буртаков.
Предложенный алгоритм быстрого регулирования работы РИП совместим с существующими сетями 4G и 5G. Ожидается, что результаты работы ускорят появление в России интерактивных «умных» поверхностей для повседневного подключения.
Илья Буртаков, преподаватель кафедры проблем передачи информации и анализа данных МФТИ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Чем отличается предложенный учеными МФТИ подход от стандартного управления РИП?
— Как такового стандартного управления нет, поскольку РИП еще не включены в стандарты беспроводной связи. Особенность нашего подхода заключается в том, что для настройки РИП не требуется его интеграция в инфраструктуру оператора связи, поскольку для настройки используются только значения принимаемой мощности сигнала на пользовательском устройстве.
— Как работает система настройки РИП в реальном времени?
— В реальном времени пользовательское устройство отправляет значения принимаемой мощности на РИП. Алгоритм настройки РИП, основываясь на значениях этой мощности, выбирает конфигурацию РИП, которая максимизирует принимаемую мощность.
— В каких диапазонах частот эффективен прототип?
— Данный прототип эффективен для частоты 2,605 ГГц, что соответствует рабочим частотам технологии 4G LTE. Отражающие элементы РИП могут быть сконструированы в зависимости от рабочей частоты технологии для максимальной эффективности.
— Насколько увеличивается скорость передачи данных благодаря этой технологии?
— При помощи нашего прототипа получилось увеличить скорость передачи в два раза как от базовой станции до пользователя, так и в обратном направлении. РИП более крупных размеров — например, из тысяч отражающих элементов — способен еще больше повысить скорость.
— Сколько времени занимает настройка системы и почему это важно?
— В реальном сценарии время настройки занимает доли секунды. Это важно, поскольку быстрая настройка позволяет быстро достичь наибольшей эффективности и повышения скорости передачи данных без потери в качестве пользовательского восприятия.
— Почему решение МФТИ считается более экономичным и энергоэффективным?
— Мы не сравнивали экономичность и энергоэффективность с другими прототипами. Сам по себе РИП является крайне экономичным и энергоэффективным, поскольку является пассивным устройством, которое само не излучает никакой энергии, а только перенаправляет ее на пользовательское устройство.
— Совместима ли технология с существующими сетями 4G и 5G?
— Данный прототип может работать без внедрения в сети оператора. Однако для увеличения скорости настройки и повышения эффективности следует внедрить РИП в стандарты беспроводной связи для создания возможности их координации с базовыми станциями.
— Какое влияние может оказать эта разработка на развитие мобильных сетей в России?
— РИП позволят увеличить область покрытия и скорость передачи данных в труднодоступных областях с низким качеством сигнала.