پیش از این، نرخهای بالاتر انتقال دادههای بیسیم از طریق طرحهای مدولاسیون پیچیدهتر، که دادههای بیت بیشتری را در همان برش طیف محصور میکرد، به دست میآمد. این راه حل در حال حاضر به محدودیت کاربرد عملی خود رسیده است، بنابراین در آینده، چه برای کاربردهای توان عملیاتی تجاری 5G طراحی شده باشد و چه برای پیوندهای نظامی با ظرفیت بالا، به جای مدولاسیون متراکم تر، به پهنای باند وسیع تری متکی خواهد بود. این دگرگونی فناوری، طراحان را مجبور کرده است که به طیف موج میلیمتری (mmWave) روی بیاورند، که میتواند از طریق منابع طیف فراوان به عملکردهای جدید مختلفی دست یابد، اما یک سری چالشهای طراحی کاملاً متفاوت را نیز به همراه دارد.
سیستم ارتباطی 5G از سال ها کار تحقیقاتی که در ابتدا توسط شرکت های دفاعی انجام شده بود، بهره می برد. به عنوان مثال، فناوری آنتن آرایه فازی که از حوزه دفاع ملی نشات میگیرد میتواند به اسکن پرتو و ردیابی همزمان چند هدف دست یابد، و اکنون به طور گسترده در برنامههای 5G برای انتقال همزمان جریانهای داده چندگانه به کاربران متعدد مورد استفاده قرار میگیرد. سیستم های تجاری به طور فزاینده ای در باندهای فرکانسی مانند 28 گیگاهرتز و 39 گیگاهرتز برای به دست آوردن پهنای باند مورد نیاز برای پیوندهای چند گیگابیتی کار می کنند.
دستگاه های آنالوگ، شرکت و سایر شرکت ها از تخصص موج میلی متری انباشته شده خود در کاربردهای صنعت دفاعی برای ارائه اجزای استانداردی استفاده می کنند که هم الزامات عملکرد دفاعی و هم نیازهای تولید زیرساخت های تجاری را برآورده می کند. فناوری پیشرفته نصب روی سطح آی سی با فرکانس بالا به استقرار فناوری 5G در مقیاس بزرگ کمک می کند.
هم 5G و هم صنعت دفاعی به سخت افزار پیشرفته با فرکانس بالا متکی هستند. شبکههای 5G برای برشهای طیف باریک خاص بهینهسازی شدهاند تا توان عملیاتی را به حداکثر برسانند، در حالی که کاربردهای نظامی مانند جنگ الکترونیک (EW) به پهنای باند عملیاتی گستردهتری برای اطمینان از قابلیتهای سنجش طیف نیاز دارند. علیرغم این تفاوتها، توسعه پهنای باند مدولاسیون گسترده در زمینه 5G باعث ایجاد مزیت همزیستی در سطح تولید شده است.
ادغام فناوری موج میلی متری در این زمینه ها به مقیاس تولیدی مورد نیاز برای استقرار تجاری دست یافته است. علاوه بر این، این همجوشی هزینه های مربوط به تکیه بر فرآیندهای مونتاژ دسته ای کوچک گران قیمت "تراشه و سیم" برای تولید محصولات کاربردی نظامی را بسیار کاهش می دهد.
این مقیاس متکی بر آی سی های فرکانس رادیویی بسیار یکپارچه (RFID)، ماژول های آرایه فازی و راه حل های آزمایشی با استفاده آسان است. امروزه این راهکارها به طور فزاینده ای به شرکت های طراحی کوچک ارائه می شود که در گذشته فاقد بودجه و یا توان تخصصی پیمانکاران بزرگ دفاعی بودند.
این تبلیغ متقابل همچنین یک زیرساخت آزمایش مشترک را تشکیل می دهد. در گذشته، آزمایش آنتنهای آرایه فازی در فرکانسهای 28 گیگاهرتز و 39 گیگاهرتز به محفظههای آنکوئیک گران قیمت نیاز داشت. پذیرش گسترده 5G توسعه راه حل های آزمایش OTA آماده مقرون به صرفه را ارتقا داده است، که شرکت های دفاعی می توانند از آن برای حل سریع چالش های توسعه محصول بدون نیاز به سرمایه گذاری مالی قابل توجه استفاده کنند. محبوبیت این بلوکهای ساختمانی معتبر و قابل استقرار مستقیم به شرکتهای طراحی با هر اندازه اجازه میدهد تا از موج میلیمتری بهعنوان یک زیرسیستم آسان برای مدیریت استفاده کنند، و تبدیل برنامههای کاربردی موج میلیمتری امیدوارکننده از نمودارهای شماتیک به سختافزار قابل استقرار را آسانتر میکند.
نوآوری طیف
برای دههها، نوآوری فناوری بیسیم از دو روش اساساً متفاوت استفاده کرده است: رمزگذاری اطلاعات بیشتر در هر حالت سیگنال مختلف (نماد)، یا گسترش فضای طیفی مورد استفاده برای انتقال اطلاعات.
طرحهای مدولاسیون سادهتر، استحکام و یکپارچگی سیگنال را در اولویت قرار میدهند، در حالی که طرحهای پیچیدهتر با ارسال بیتهای بیشتر در هر نماد، توان عملیاتی داده را بهبود میبخشند. روش مدولاسیون پایه از مقدار کمی اطلاعات (مانند یک بیت) برای نمایش هر نماد استفاده می کند. طراحان میتوانند عملکرد سیستم را با استفاده از طرحهای مدولاسیون پیچیدهتر مانند QAM برای رمزگذاری اطلاعات بیشتر برای هر نماد، یا با دسترسی به کانالهای طیف وسیعتر در باندهای میلیمتری فرکانس بالاتر، بهبود بخشند.
مدولاسیون تعیین می کند که چگونه داده ها بر روی یک حامل بسته بندی شوند، در حالی که تقویت کننده های قدرت (PAs) اطمینان حاصل می کنند که بیت های داده به مقصد مورد نظر خود می رسند. در زمینه تجاری 5G، تقویتکنندههای قدرت، کارایی و خطی بودن را در باندهای فرکانسی تعیینشده برای پشتیبانی از آرایههای فازی با توان بالا اولویت میدهند. با این حال، در سیستمهای نظامی، معمولاً برای بهبود وضوح رادار، قابلیتهای ارتباط ماهوارهای و قابلیت استفاده، محدوده فرکانس وسیعتر و قدرت بالاتر دنبال میشود.
حتی با پیشرفت تکنولوژی مدولاسیون، هنوز یک محدودیت اساسی برای مقدار دادههای ارسال شده از طریق باندهای فرکانس حامل خاص (FC) وجود دارد. یک اصل کلیدی این است که توان عملیاتی داده به طور مستقیم با عرض کانال، که پهنای باند سیگنال مدوله شده (FBW) است، مرتبط است. برای دستیابی به نرخ انتقال داده های بالاتر، یک کانال فرکانس حامل گسترده تر مورد نیاز است، درست مانند جابجایی از یک بزرگراه شلوغ تک خط به یک بزرگراه ده خطه (شکل 1).