Российские ученые создали специальные поверхности для усиления сигнала мобильной связи 5G. Они работают по принципу зеркала, только отражают не свет, а радиоволны. Если установить их на вышки мобильной связи, можно повысить скорость передачи данных в Сети без строительства дополнительных базовых станций. По мнению экспертов, разработка уже может применяться на практике для увеличения емкости радиоканалов. Однако в условиях плотной городской застройки эффект от нее будет ограничен. А вот в сельской местности она поможет заметно улучшить покрытие. В городах-миллионниках переход на более современный стандарт связи в РФ запланирован уже на следующий год.

Радиозеркала для усиления сигнала

Ученые Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича (ИППИ) РАН с помощью 3D-печати изготовили элементы интеллектуальных поверхностей, способные управлять радиоволнами и усиливать сигналы сетей 5G. Новый метод производства позволил на 40% увеличить ширину частотной полосы, в которой работают устройства, что ускоряет передачу данных. При этом технология в пять раз дешевле аналогов. Это дает возможность ее массового применения для создания устойчивого покрытия беспроводными сетями даже в отдаленных районах нашей страны. Разработка была поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

— Предложенная методика не требует дорогих импортных материалов — в печати используется ударопрочный полистирол, который производят в России. Этот подход позволит быстрее и примерно в пять раз дешевле других технологий создавать устройства для 5G- и в перспективе 6G-сетей. Это даст возможность в ближайшее время наладить производство реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей в нашей стране и ускорить их внедрение в отечественные системы связи. В дальнейшем мы планируем использовать эту методику для создания нового прототипа реконфигурируемой интеллектуальной поверхности для сотовых сетей 5G, — рассказал участник проекта младший научный сотрудник лаборатории беспроводных сетей ИППИ РАН Андрей Тярин.

Сети 5G в нашей стране сейчас работают в пилотном режиме в Москве, Санкт-Петербурге, Иннополисе и Сколково. В основном их используют крупные предприятия и корпоративные клиенты. По плану их активное развертывание для большого числа абонентов должно начаться уже в 2026 году. От стандартов связи предыдущих поколений 5G отличаются более высокой скоростью передачи данных и большей пропускной способностью, что открывает возможности для развития интернета вещей, беспилотного транспорта и внедрения VR-технологий.

Однако, чтобы обеспечить стабильное покрытие сетью мобильной связи 5G и следующих поколений, потребуется большое количество новых вышек, а это дорого. Но можно повысить эффективность передачи сигналов пользователям от уже существующих вышек с помощью созданных в ИППИ интеллектуальных поверхностей. Эти устройства работают подобно зеркалам, но отражают не свет, а радиосигналы. Перенаправляя с их помощью радиоволны, можно усиливать их и тем самым улучшать качество связи, отметили авторы проекта.

До сих пор прототипы таких поверхностей создавали по дорогой технологии изготовления печатных плат, когда на пластинах, не проводящих ток, с помощью обработки химическими реагентами формируют очень тонкое медное покрытие. Этот подход требует сложного промышленного оборудования и дорогих материалов, поэтому он практически не использовался операторами связи.

Вместо этого ученые ИППИ использовали 3D-печать. В качестве материала для таких элементов они выбрали ударопрочный полистирол — этот недорогой материал пропускает радиоволны и практически не искажает их, благодаря чему его удобно использовать в качестве основы умного зеркала. Такую полистирольную основу исследователи напечатали на 3D-принтере, придав ее внутренней поверхности структуру в виде ячеек. Затем на эту поверхность наклеили проводящий слой из медной фольги.

В ходе испытаний разработчики подтвердили, что поверхности усиливают радиоволны. Эксперимент показал, что сочетание ячеистой структуры, созданной 3D-печатью, и простого в изготовлении покрытия из фольги позволило получить элемент умной поверхности, рабочая полоса частот которого на 40% шире существующих аналогов. Благодаря этому устройства на основе таких элементов смогут передавать данные с большей скоростью.

Практическое применение

Предложенная технология позволит увеличить информационную емкость радиоканала и может использоваться на практике, полагает начальник отдела прикладных исследований и разработок перспективных решений сотовой связи МФТИ Григорий Серегин.

— Исследование очень полезное для задельных работ в области систем мобильной связи 5G Advanced (усовершенствованная версия 5G. — «Известия») и 6G. Увеличение ширины рабочей полосы частот влияет на информационную емкость радиоканала в целом. Разработанная технология может активно применяться в пассивных реконфигурируемых поверхностях, — сказал он.

По словам главного редактора портала про гаджеты и технологии Ferra.ru Евгения Харитонова, технология может принести определенную пользу, однако полностью не избавит от необходимости высокой плотности вышек для перехода на более высокий стандарт связи. По крайней мере в условиях плотной городской застройки.

— В городских условиях эти поверхности могут рассматриваться как приятное дополнение, но радикального превосходства или ускоренных темпов перехода на 5G не обеспечат. Эффект можно сравнить с более качественным Wi-Fi-роутером. А вот в сельских районах, где не так много вертикальных бетонных построек, эти устройства помогут улучшить покрытие, — сказал Евгений Харитонов.

Массовое использование сетей 5G вряд ли будет реализовано в 2026 году. Скорее всего, абоненты смогут воспользоваться ими только в 2027-м, считает эксперт.

Однако, по мнению директора научного центра моделирования беспроводных сетей нового поколения РУДН Мутханна Аммара Салех Али, разработка может оказаться крайне эффективной и в условиях мегаполиса, так как радиозеркала легко развернуть на различных поверхностях инфраструктуры для создания единой программируемой радиосреды в масштабах городов.

— Увеличение ширины рабочей частотной полосы на 40% прямо пропорционально повышает пропускную способность системы в соответствии с фундаментальными законами теории информации. Это обеспечивает более быструю обработку сигналов и снижение временных задержек, что критически важно для приложений реального времени и систем с ультранизкими задержками, — сказал специалист.

Более широкая частотная полоса значительно улучшает работу системы в условиях многолучевого распространения, характерного для городской среды, уверен ученый.