新技术可以为您的家庭和工作场所带来最快的5G版本

当今 5G 手机的消费者可能经历过以下权衡之一：令人印象深刻的下载速度，但覆盖范围极其有限且参差不齐，或者覆盖范围广且可靠，但速度并不比当今的 4G 网络快多少。

加州大学圣地亚哥分校电气工程师开发的一项新技术结合了两全其美，可以同时实现超快速和可靠的 5G 连接。

该团队将在 8 月 23 日至 27 日在线举行的 ACM SIGCOMM 2021 会议上展示他们的工作。

该技术提出了一种解决方案，可以克服使高频段 5G 对日常用户实用的障碍：快速无线信号(称为毫米波)无法传播很远，很容易被墙壁、人、树木和其他障碍物阻挡。

当今的高频段 5G 系统通过在基站和接收器(例如用户的手机)之间发送类似激光的毫米波束来传输数据。问题是，如果某物或某人挡住了该光束的路径，则连接会完全阻塞。

“依赖单光束会造成单点故障，”加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院电气和计算机工程教授 Dinesh Bharadia 说，他是 ACM SIGCOMM 论文的资深作者。

两束比一束好

Bharadia 和他的团队是加州大学圣地亚哥分校无线通信中心的一部分，他们想出了一个聪明的解决方案：将一个类似激光的毫米波光束分成多个类似激光的光束，并让每个光束从不同的路径经过基站到接收器。这个想法是为了提高当障碍物挡在路上时至少一个光束到达接收器的机会。

多波束毫米波系统的实验装置。图片来源：加州大学 - 圣地亚哥

研究人员创建了一个能够执行此操作的系统，并在办公室内和校园建筑物外对其进行了测试。该系统提供了 100% 可靠性的高吞吐量连接(高达 800 Mbps)，这意味着当用户绕过桌子、墙壁和户外雕塑等障碍物时，信号不会下降或失去强度。在室外测试中，该系统提供了最远可达 80 米(262 英尺)的连接性。

为了创建他们的系统，研究人员开发了一套新算法。一种算法首先指示基站将波束分成多条路径。其中一些路径从基站和接收器直接拍摄;有些路径采用间接路径，光束从所谓的反射器(环境中反射毫米波的表面，如玻璃、金属、混凝土或干墙)反射到接收器。然后该算法学习哪些是给定环境中的最佳路径。然后优化每个波束的角度、相位和功率，以便当它们到达接收器时，它们会建设性地结合起来，以创建强大、高质量和高吞吐量的信号。

使用这种方法，更多的波束会产生更强的信号。

“你会认为分裂光束会降低信号的吞吐量或质量，”巴拉迪亚说。“但根据我们设计算法的方式，从数学上讲，我们的多波束系统在传输与单波束系统相同的整体功率的同时，可以提供更高的吞吐量。”

当一个用户四处走动和另一个用户挡路时，另一种算法会保持连接。当这些发生时，光束会错位。该算法通过持续跟踪用户的运动并重新调整所有光束参数来克服这个问题。

研究人员在实验室开发的尖端硬件上实施了他们的算法。“你不需要任何新硬件来做到这一点，”电气和计算机工程博士 Ish Jain 说。Bharadia 实验室的学生，也是该论文的第一作者。“我们的算法都符合当前的 5G 协议。”

硬件由一个小型基站和接收器组成。该基站配备了相控阵，由加州大学圣地亚哥分校电气和计算机工程教授 Gabriel Rebeiz 的实验室开发，他是 5G 和 6G 通信相控阵专家，也是该大学无线中心的成员通讯。

该团队现在正致力于扩展他们的系统以容纳多个用户。