Čím dnešní sítě narážejí na strop
Než se podíváme na samotný průlom, stojí za to zasadit ho do kontextu. Dnešní 5G sítě jsou v České republice v rozmachu, přesto jejich reálné výkony zůstávají daleko za teoretickými maximy. Průměrná rychlost stahování v síti O2, která v tuzemsku vede žebříčky, se pohybuje okolo 157 Mb/s. T-Mobile dosahuje zhruba 132 Mb/s. Špičková naměřená hodnota v Praze překročila 932 Mb/s, tedy necelý gigabit, ale to jsou podmínky, které v praxi málokdo zažije.
Mezní rychlost celé generace 5G se pohybuje v řádu jednotek gigabitů za sekundu. Sítě šesté generace, jejichž nástup se očekává v příštím desetiletí, si kladou za cíl tuto laťku překonat mnohonásobně. A právě tady vstupují do hry japonští výzkumníci.
Zdroj: Tokushima University
Problém jménem terahertz
Cesta k vyšším rychlostem vede přes vyšší frekvence. Jenže fyzika je neúprosná: čím vyšší frekvence, tím více problémů s takzvaným fázovým šumem a tím menší výkon signálu. Konvenční elektronika začíná selhávat přibližně nad hranicí 350 GHz. Signál se stává nestabilním, ztrácí výkon a přenos dat na takových frekvencích byl dosud prakticky nepoužitelný pro jakékoli reálné nasazení.
Výzkumné týmy z Tokušimské univerzity a Univerzity v Gifu se rozhodly tento problém obejít jinak: místo elektroniky vsadily na světlo.
Klíčem k jejich úspěchu je součástka nazývaná microcomb. Jde o miniaturní fotonické zařízení, které funguje na principu přesného optického pravítka. Laserový paprsek se v něm rozloží na sérii dokonale rovnoměrně rozložených, ultrastabilních světelných frekvencí, trochu jako hranol rozkládá bílé světlo na barvy duhy, jen s nesrovnatelně vyšší přesností.
Díky mimořádné stabilitě těchto optických linií vykazují microcomby velmi nízký fázový šum a právě to z nich dělá ideální základ pro spolehlivý terahertzový signál. Výzkumníci navíc vyřešili jeden z největších praktických problémů: optické zarovnání. Výsledkem je zařízení, které se vejde na plochu nehtu, zvládne nepřetržitý provoz delší než 24 hodin a odolává i teplotním výkyvům okolního prostředí díky integrované teplotní regulaci.
Zdroj: Tokushima University
Rekord: 112 Gb/s na frekvenci 560 GHz
Na takto připraveném základě pak výzkumníci sestavili vysílač pracující na frekvenci 560 GHz a otestovali jej se dvěma různými modulačními formáty. Formát QPSK dosáhl přenosové rychlosti 84 Gb/s. Formát 16QAM pak stanovil nový světový rekord: 112 gigabitů za sekundu.
To je první případ v historii, kdy kdokoli dosáhl rychlosti přes 100 Gb/s při bezdrátovém přenosu na frekvencích nad 420 GHz. Pro srovnání dosavadní systémy pracující na podobných frekvencích zvládaly nanejvýš jednotky gigabitů za sekundu. Rychlostí 112 Gb/s byste stáhli celý film ve 4K rozlišení dřív, než byste stihli mrknout. Výsledky prošly recenzním řízením a byly publikovány v prestižním vědeckém časopise Communications Engineering.
Mohlo by vás zajímat
Proč to zajímá operátory, ne jen laboratoře
Bezdrátový přenos na terahertzových frekvencích není primárně určen pro vaše smartphony. Jeho přirozené uplatnění leží v páteřní infrastruktuře mobilních sítí, takzvaném backhaulovém spoji. Jde o datové přenosy mezi základnovými stanicemi a hlavní internetovou sítí.
Dnes se tyto spoje řeší nejčastěji optickými kabely v zemi nebo mikrovlnnými linkami. Optika je spolehlivá, ale její pokládka je drahá a zdlouhavá, zvláště v hustě zastavěných oblastech. Terahertzové bezdrátové spojení by umožnilo přenášet vzduchem kapacitu srovnatelnou s optickým vláknem bez nutnosti rozkopávat ulice.
To by výrazně zlevnilo výstavbu budoucích 6G sítí a urychlilo jejich rozšiřování do míst, kam se dnes nevyplatí zavádět kabelovou infrastrukturu.
Tým nyní plánuje další kroky: ještě více potlačit fázový šum, aby zvýšil přenosovou rychlost, a navrhnout pokročilejší antény pro větší vysílací výkon. Cílem je dosáhnout těchto rekordních rychlostí na výrazně delší vzdálenosti, než jakých dosahují v laboratorních podmínkách.
Zdroj: Tokushima University, Tokushima PDF, Interesting Engineering, Nature
5 foto