חוקרים מאוניברסיטת בריסטול ואוניבסיטת לונד שתפו פעולה עם חברת NI בקביעת השיא. פול האריס, מאוניברסיטת בריסטול הדגיש כי ההתבססות על מערכת בניית אבי טיפוס מבוססי MIMO מתוצרת חברת נשיונל אינסטרומנטס (NI), המשלבת חומרה ותוכנה, סייעה לפתרון הבעיות הכרוכות בפיתוח.
תמונה כותרת (תמונה 1). האוניברסיטה של בריסטול ואוניברסיטת לונד ממשו את המערך הראשון מסוגו בעולם של מערך ניסוי בזמן אמת של massive MIMO המובסס על 128 אנטנות. מערך זה סייע בקביעת שני שיאי עולם עוקבים בתחום היעילות הספקטרלית
תמונה 2 (לעיל). מערכת פיתוח אבי טיפוס ל-MIMO היא מערכת מודולרית המבוססת על רדיו מוגדר תוכנה USRP RIO ועל חומרת PXI המאפשרים תצורות מרובות אנטנות
האתגר
חברת סיסקו צופה כי בשנת 2020 מספר המשתמשים במכשירי טלפון ניידים יגיע ל-5.5 מליארד. ברחבי הממלכה המאוחדת לבדה כל אחד מעשרות מליוני המשתמשים במכשירים שכאלה יצרוך נתונים בהיקף של 20GB בחודש, וישתמש ביותר מ-25 התקנים חכמים שונים במהלך היום. יישומים זוללי נתונים כגון וידיאו 4K, מכוניות אוטונומיות, מפעלים חכמים וגישה רחבת סרט מתפשטים למקומות הנידחים ביותר בעולם, ורשתות התקשורת של ימינו לא יוכלו לענות על הדרישות העתידיות לגישה מהירה והיפר-חיבוריות.
הפתרון
חוקרים מאוניברסיטאות בריסטול ולונד נרתמו ליצירת מענה לביקוש חסר התקדים לקצבי נתונים, להרחבת קיבולת הרשתות ולשיפור האמינות. הם פתחו ושכללו רשתות דור 5 תוך שימוש בטכנולוגית MIMO. מה שאפשר להם את הפיתוח המהיר הוא השימוש במערכת לפיתוח אבי טיפוס MIMO. צוות הפיתוח הדגים בהצלחה שיפור גדול מ-20X בנצילות רוחב הפס בהשוואה לטכנולוגיות הדור הנוכחי – דור 4G. הדבר פותח אפשרויות שוברות שיא להטמעת דור 5 בתחומים שמתחת ל-6GHz.
החדשנות שבריבוי
על מנת לנצל את הפוטנציאל של רשתות הדור ה-5 יש להבין את היתרונות של massive MIMO. טכנולוגיות massive MIMO נעזרת במספר גדול של אנטנות, (מעל 64), בתחנת הבסיס על מנת לאפשר שידור מולטיפלקס מרחבי. משמעות הדבר היא כי ניתן לשרת מספר גדול יותר של משתמשים באיזור צפוף מבלי להגדיל את רוחב הסרט ומבלי ליצור הפרעות הדדיות. טכנולוגיית massive MIMO מבטיחה פחות ניתוקי שיחות, הקטנה משמעותית ב”שטחים מתים”, ואיכות העברת נתונים משופרת וכל זאת בלי למתוח את הגבולות שהמחסור בתדרי רדיו מציב בפני המהנדסים. יתרון נוסף הוא שה-massive MIMO תורם להפחתת עלויות, לשיפור יעילות אנרגטית בהשוואה לרשתות התקשורת LTE עכשוויות של הדור הרביעי, ולשיפור באמינות הנובע מהיתירות שמקנה ריבוי האנטנות.
“הסיבה האמיתית המניעה את המירוץ לקראת הדור ה-5 (5G) היא שרוחב הפס העומד לרשות הדור ה-4 הולך ואוזל. המפעילים נאבקים על מנת לעמוד בדרישות הלקוחות לרוחב פס גדול יותר. מי שידע לספק את הדרישה יזכה ביתרונות כלכליים וחברתיים אדירים”.
אנדרו ניקס, דיקן הפקולטה להנדסה, אוניברסיטת בריסטול.
שיא עולמי בזמן אמת
צוות החוקרים מאוניברסיטאות בריסטול ולונד בחן את ההתכנות של שימוש ב-massive MIMO כטכנולוגיה מעשית להשגת שיפור גדול מפי 10 בקיבול רשת עתידית של דור 5. החוקרים הסתמכו על פלטפורמה לפיתוח אבי טיפוס של מערכות MIMO, פלטפורמה הניתנת להרחבה, בשילוב חומרה גמישה של רדיו מוגדר תוכנה ותוכנת LabVIEW הניתנת להגדרה מחדש. מוצרי החברה קיבלו גיבוי ותמיכה של מומחי קבוצת המחקר המתקדם בתחום ה-Wireless. ההתבססות על מערכת פיתוח אבי טיפוס MIMO אפשרה לצוות הפיתוח להתמקד בהטמעת העקרונות התיאורטיים של טכנולוגיית massive MIMO בהתאם לתנאים המציאותיים. כך הם הצליחו לבחון באופן מהיר, תוך שימוש במערך מדידה massive MIMO, הפועל בזמן אמת, את הטמעת הרעיונות החדשים במערכת ראשונה בעולם המדגימה שימוש ב-128 אנטנות. השימוש במערך בדיקה יחודי ופורץ גבולות אפשר לצוות החוקרים לקבוע שני שיאי עולם עוקבים של נצילות ספקטרלית. הם השיגו יעילות ספקטרלית גדולה מ-79b/s/Hz בפס בעל רוחב של 20MHz, עבור תקשורת אווירית דו כיוונית, בזמן אמת, בתדר 3.5GHz עם 12 משתמשים סימולטניים. זמן קצר לאחר מכן הצוות הרחיב את המערכת והשיג יעילות ספטרלית של למעלה מ-145b/sHz על ידי הגדלת מספר המשתמשים ל-22 תוך שמוש באותם משאבי זמן-תדר.
תמונה 3. מערכת ישומי MIMO העניקה לצוות המחקר של אוניבסיטאות בריסטול ולונד יתרון בפיתוח בשל השמוש בתוכנה פתוחה ו-IP של FPGA הפועל בזמן אמת
ומה הלאה?
במיזם משותף לאוניברסיטת בריסטול ולמועצת העיר של בריסטול, הקרוי “בריסטול הפתוחה”, מתכנן צוות המחקר להציב מערכת ניסוי massive MIMO על גגות העיר בריסטול ולהתחבר לרשת הסיבים האופטיים של העיר, על מנת לבצע מחקר נוסף בהשלכות שיוצרת טכנולוגיה זו. למעשה בריסטול חולקה לארבע תת מערכות, כ”א בת 32 אנטנות, ונעשה שמוש ברשת הסיבים האופטיים על מנת לממש מערכת massive MIMO מבוזרת. באופן זה מפעילי הרשתות יוכלו להפעיל שיטות תקשורת משופרות לטובת הכלל.
אוניברסיטת לונד תבצע בקרוב מדידות המתמקדות בתרחישי חוץ, איפיוני ערוצים והאצת תכנוני IP. המדידות יבוצעו תוך שמוש במערך ניסוי NI massive MIMO. בנוסף, אוניברסיטאות בריסטול ולונד ימשיכו בשיתוף הפעולה בפעילויות הבאות. לונד תארח את הצוות של אוניברסיטת בריסטול על מנת לבצע מדידות חוץ וניסויים בשילוב משתמשי ציוד נייד במטרה לחקור את ההשפעות הניידות על massive MIMO.
תמונה 4. פול האריס וסטפן מאלקובסקי בוחנים את המערך בן 128 אנטנות בחדר נטול הד באוניברסיטת בריסטול
הטכנולוגיה
המערך לפיתוח אבי טיפוס של massive MIMO מבוסס על שילוב חומרת מדף ותוכנת LabVIEW. השילוב הזה מהווה תשתית יציבה למערכת בעלת תפוקה וקיבול גבוהים, ובעלת השהייה נמוכה. הצוות של לונד ובריסטול שלב קרוב ל-100 מודולי חומרה שונים ועדיין היה מסוגל לבצע את החיבור ביניהם לצורך פיתוח האפליקציה המלאה תוך שמוש בכלי תכן יחיד. הגישה המודולרית, השילוב המהודק של תוכנה וחומרה ו-IP מבוסס FPGA הפועל בזמן אמת כחלק מ-LabVIEW אפשר לחוקרים להגיע לפתרון במהירות גדולה מהמצופה. שילוב זה מבטיח שהכנסת שינוים עתידים למערכת יהיו יעילים במונחי זמן וכסף .
כיום המהנדסים והחוקרים עוסקים במציאת פתרונות לאתגרים בוערים כגון פיתוח מערכות דיאגנוסטיקה רפואיות טובות יותר, מכשירים לטיפול בבעיות רפואיות, מערכות אנרגיה חלופיות ושיפור תשתיות.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת נשיונל אינסטרומנטס
