Dnešní mobilní telefony potřebují být zároveň stále menší, výkonější a déle vydržet na baterie. Jenže výkon - v ohledu přenosových rychlostí - znamená především stále širší obsluhované rádiové spektrum, aby bylo možné zdvihat přenosové rychlosti. A to také znamená nutnost prudkého vývoje anténních technologií. Moderní antény musí být kompaktní, dobře pracovat s frekvencemi, které by se mohly vzájemně rušit a také přispívat k energetické úspornosti. Pro jednoduchost všeho říkáme, že musí být „chytré“. Přeci byste nechtěli mít pitomou anténu na chytrém mobilu. A už to také nejsou antény, ale spíše pole. Podívejme se na to, co se s ohledem na sítě 5G a 6G děje v anténních technologiích.
Role chytrých antén v sítích 5G a 6G
Sítě 5G a 6G jsou navrženy tak, aby podporovaly širokou škálu aplikací - od rozšířené reality (XR) a autonomních vozidel až po Internet věcí (IoT) a průmyslové automatizace. K dosažení těchto cílů je klíčové využití chytrých antén, které umožňují efektivní a flexibilní využití rádiového spektra, rychlé přepínání paprsků a zacílení signálu na konkrétní uživatele nebo oblasti. Základním principem chytrých antén je adaptivní změna tvaru a směrování vysílaného a přijímaného signálu, což umožňuje dynamické přizpůsobení charakteristik antén na základě aktuálních podmínek v síti.
Jednou z klíčových technologií, která chytré antény umožňuje, je vícevstupní a vícevýstupní technologie (MIMO - Multiple Input Multiple Output). Tato technologie umožňuje současný přenos více datových toků pomocí více antén, což výrazně zvyšuje kapacitu a robustnost komunikace. Ve spojení s MIMO se používá technologie beamformingu, která směřuje energii signálu do specifických směrů, což zvyšuje efektivitu přenosu a zajišťuje lepší pokrytí a kvalitu signálu.
Smart Array a Massive MIMO
Technologie Smart Array umožňuje dynamicky měnit směr signálu na základě změn v prostředí, zatímco Massive MIMO využívá velké množství anténních prvků pro simultánní přenos více datových toků, což zvyšuje kapacitu sítě. Zatímco Smart Array se zaměřuje na adaptivní směrování a optimalizaci energie, Massive MIMO zajišťuje stabilitu připojení a vyšší kapacitu v oblastech s vysokou hustotou uživatelů.
Technologie Smart Array sestává z několika anténních prvků uspořádaných do pole. Tyto prvky spolupracují tak, aby umožnily dynamicky měnit směr signálu. Každý prvek pole může měnit fázi a amplitudu signálu, což dohromady vytváří výsledný paprsek, který je možné směrovat do konkrétních oblastí.
Ve skutečnosti to vypadá jako deska s více anténami, která je schopná pomocí pokročilých algoritmů (jako je strojové učení a analýza signálu) směřovat paprsky podle aktuálních potřeb sítě a uživatelů. Takový přístup zlepšuje výkon, snižuje rušení a zvyšuje energetickou efektivitu, což je důležité zejména v městských oblastech, kde je vysoká hustota uživatelů.
Další technologií, která se ve vývoji chytrých antén objevuje, je Massive MIMO. Massive MIMO používá velké množství anténních prvků, které pracují souběžně, což umožňuje výrazně zvýšit kapacitu sítě a zajistit stabilní připojení i v oblastech s vysokou hustotou uživatelů. Společnosti jako Ericsson, Huawei a Nokia jsou lídry v implementaci Massive MIMO technologií a investují značné prostředky do vývoje hardwaru a softwaru, které umožní efektivní nasazení této technologie v reálném světě. Společnost Ericsson například vyvinula AIR 6449 systém, který obsahuje 64 vysílacích a 64 přijímacích anténních elementů v kompaktním provedení. Tento systém dokáže dynamicky formovat vyzařovací charakteristiku (beamforming) a obsloužit několik uživatelů současně pomocí prostorového multiplexu.
*Jak se liší Smart Array a Massive MIMO? Smart Array se zaměřuje na dynamické směrování a optimalizaci signálu, zatímco Massive MIMO využívá velké množství antén pro současný přenos více datových toků, čímž zvyšuje kapacitu a zajišťuje stabilní připojení.
Inovativní návrh antén pro malé rozměry a specifické frekvence
Jedním z hlavních problémů při návrhu antén pro sítě 5G a 6G je potřeba zajistit kvalitní příjem a vysílání signálu při velmi specifických frekvencích, často v mmWave pásmech (30-300 GHz), a zároveň minimalizovat fyzické rozměry antén. To je klíčové zejména pro aplikace v mobilních telefonech, kde je každý centimetr čtvereční prostoru cenný, nebo v IoT zařízeních, která mají omezenou velikost a kapacitu baterie.
Jednou z relevantních technologií pro tento účel je Antenna-in-Package (AiP). AiP je inovativní přístup, který integruje anténu přímo do balení čipu, čímž se výrazně snižuje potřebný prostor a zlepšuje efektivita přenosu signálu. Tato technologie nahrazuje dostavadní přístup usazování antén na desku plošného spoje. Společnosti jako Qualcomm a Intel již implementují AiP do svých řešení pro mmWave pásma, aby zajistily vysoký výkon a stabilitu připojení i při extrémně vysokých frekvencích.
AiP je zvláště důležitý v případě mmWave sítí, kde vysoké frekvence vyžadují přesnou integraci a minimalizaci ztrát signálu. Díky integraci antény přímo do balení čipu dochází k eliminaci ztrát, které by vznikaly při přenosu signálu mezi samostatnými komponentami, a zvyšuje se efektivita celého systému. AiP je také ideálním řešením pro zařízení, která mají omezené rozměry, jako jsou chytré telefony, nositelná zařízení a různá IoT zařízení.
Zde je vidět, pro jaká frekvenční pásma je který přístup jak vhodný:
Nové materiály a výrobní technologie
Významným trendem v oblasti vývoje kompaktních anténních systémů je využití metamateriálů. Tyto uměle vytvořené struktury s negativním indexem lomu umožňují dosáhnout neobvyklých elektrických vlastností. Výzkumný tým z Massachusetts Institute of Technology vyvinul metapovrchy s elektronicky řízenými vlastnostmi, které dokáží měnit své charakteristiky v reálném čase. Tato technologie nachází uplatnění zejména v milimetrových pásmech pro 5G a budoucí 6G sítě.
Metamateriálové antény vyvinuté týmem MIT přináší:
- Možnost elektronického řízení vyzařovací charakteristiky v reálném čase
- Redukci fyzických rozměrů o 30-50%
- Zvýšení spektrální efektivity o 200-300%
Společnost Kymeta Corporation představila průlomové řešení v podobě plochých metamateriálových antén pro satelitní komunikaci, které využívají tekuté krystaly pro řízení vyzařovací charakteristiky. Tento princip se nyní adaptuje i pro pozemní mobilní sítě.
Společnost Metawave je jedním z lídrů v oblasti vývoje metamateriálových antén, které umožňují efektivní beamforming i při velmi vysokých frekvencích.
Výzkumníci z University of California, Berkeley, vyvinuli technologii 3D tištěných anténních struktur s integrovanými aktivními prvky. Tento přístup umožňuje vytvářet komplexní trojrozměrné anténní struktury s optimalizovanými vlastnostmi při zachování minimálních rozměrů.
Samsung Electronics představil řadu kompaktních 28 GHz anténních modulů využívajících pokročilou technologii System-in-Package (SiP), která integruje anténní elementy přímo s RF obvody a signálovými procesory.
Vývoj pokročilých materiálů hraje klíčovou roli v optimalizaci vlastností anténních systémů. Mezi perspektivní směry patří:
- Grafenové antény pro terahertzové frekvence
- Flexibilní substráty pro konfigurovatelné anténní systémy
- Kompozitní materiály s řízenými dielektrickými vlastnostmi
- Nanomateriály pro zvýšení účinnosti antén
Qualcomm Technologies vyvíjí novou generaci anténních modulů využívajících pokročilé polovodičové materiály na bázi GaN (gallium nitrid) pro vysokoefektivní RF zesilovače integrované přímo s anténními prvky.
Rekonfigurovatelné inteligentní povrchy (RIS)
Rekonfigurovatelné inteligentní povrchy (RIS) (anglicky Reconfigurable Intelligent Surfaces) představují další klíčovou technologii, která se uplatňuje při návrhu sítí 5G a 6G. RIS jsou speciální povrchy, které mohou dynamicky měnit své elektromagnetické vlastnosti a tím ovlivňovat šíření signálů v prostoru. Tyto povrchy lze umístit na budovy, vozidla nebo jiné objekty a jejich úkolem je optimalizovat šíření signálu tím, že jej reflektují nebo přesměrují do požadovaného směru.
RIS umožňují zlepšit pokrytí a kapacitu sítě, zejména v hustě zastavěných městských oblastech, kde tradiční antény narážejí na problémy s překážkami, jako jsou budovy. Společnost ZTE například vyvíjí RIS systémy, které mohou být integrovány do městské infrastruktury a pomáhat při odrazu a přesměrování signálů pro zajištění stabilního připojení. Další významnou firmou, která se zaměřuje na vývoj RIS technologií, je Huawei, která využívá RIS k optimalizaci síťového pokrytí a zlepšení kvality služby v náročných prostředích.
RIS představují revoluční přístup, který umožňuje dosáhnout vysoké efektivity přenosu bez nutnosti instalace nových základnových stanic. Tato technologie umožňuje flexibilně přizpůsobit vlastnosti sítě aktuálním podmínkám a potřebám uživatelů, což je klíčové pro budoucí sítě 6G, které budou muset podporovat širokou škálu aplikací a služeb s různými požadavky na konektivitu. je jedním z pokročilých přístupů při návrhu chytrých antén pro sítě 5G a 6G. Smart Array umožňuje dynamicky měnit směr a sílu vysílaného signálu na základě změn v prostředí, například pohybu uživatelů nebo změn v síťové infrastruktuře. Smart Array využívá komplexní algoritmy, které analyzují zpětnou vazbu od uživatelů a na základě toho optimalizují vysílací paprsek tak, aby byl signál co nejvíce zaměřen tam, kde je aktuálně potřebný. To nejen zvyšuje efektivitu komunikace, ale také přispívá k úspoře energie, což je v kontextu mobilních sítí velmi důležitý faktor.
Rekonfigurovatelné inteligentní povrchy (RIS) představují významnou inovaci s potenciálem transformovat způsob šíření signálů v urban prostředí. Empirická data z pilotních projektů společnosti ZTE demonstrují:
- 40% zlepšení pokrytí v problematických lokalitách
- 25% redukce energetické náročnosti
- 60% snížení nákladů na instalaci dodatečných základnových stanic
Fázované anténní pole a beamforming
Fázovaná anténní pole (Phased Array Antennas) jsou další technologií, která umožňuje efektivní řízení směru vysílání a příjmu signálu. Tato pole se skládají z několika anténních prvků, které mohou měnit fázi vysílaného signálu, což umožňuje dynamicky měnit směr výsledného signálového paprsku. Beamforming, tedy směrování paprsku, je klíčovou funkcí fázovaných anténních polí a je využíván k zaměření signálu přímo na uživatele, čímž se minimalizují ztráty a rušení.
Fázované anténní pole jsou využívány jak v 5G, tak v nadcházejících 6G sítích, a umožňují dosažení velmi přesného směrování signálu i při vysokých frekvencích. Tato technologie je důležitá zejména v mmWave pásmech, kde je potřeba zajistit stabilní a spolehlivé spojení i při vysoké hustotě uživatelů. Společnosti jako Qualcomm a Samsung investují do vývoje fázovaných anténních polí, která budou moci být integrována do mobilních zařízení i infrastrukturních prvků sítě.
Jak se tato technologie liší od Smart Array? SA umožňuje dynamicky měnit směr signálu na základě změn v prostředí, zatímco Phased Array Antennas využívají fázové řízení jednotlivých anténních prvků ke směrování signálu. Zatímco Smart Array se zaměřuje na pokročilé algoritmy a zpětnou vazbu od uživatelů k adaptaci signálu v reálném čase, Phased Array Antennas používají předem definované změny fáze signálů k dosažení směrování paprsků, což poskytuje vysokou přesnost v řízení směru signálu.
Energetická efektivita a úspora zdrojů
Jedním z hlavních cílů při návrhu chytrých antén pro sítě 5G a 6G je zajištění energetické efektivity. To zahrnuje nejen snížení spotřeby energie samotných antén, ale také optimalizaci vysílacího výkonu tak, aby byl signál co nejlépe směrován na uživatele a minimalizovaly se ztráty. Technologie jako Low-Power Wake-up Signál (LP-WUS) a Přijímač (LP-WUR), které byly zahrnuty v 3GPP Release 19, umožňují zařízení přejít do energeticky úsporného režimu a aktivovat se pouze v případě potřeby, což výrazně snižuje spotřebu energie.
Green Communications je další koncept, který se stále více uplatňuje při návrhu antén a infrastruktury pro sítě nové generace. Tento koncept se zaměřuje na minimalizaci energetické stopy sítí, což zahrnuje použití obnovitelných zdrojů energie, optimalizaci výkonu antén a využití inteligentních algoritmů pro správu energie. Společnost Nokia například vyvinula systém, který umožňuje dynamicky měnit výkon antén v závislosti na zatížení sítě a požadavcích uživatelů, čímž se dosahuje značných úspor energie.
Integrace AI do návrhu chytrých antén
Umělá inteligence (AI) a strojové učení (ML) se stávají neoddělitelnou součástí návrhu a správy chytrých antén. AI umožňuje analyzovat obrovské množství dat ze sítě, jako jsou informace o poloze uživatelů, síle signálu nebo stavu připojení, a na základě těchto dat optimalizovat směrování signálu v reálném čase. AI se také používá k predikci pohybu uživatelů, což umožňuje předem přizpůsobit parametry antén a zajistit tak stabilní a kvalitní připojení.
DeepMind, dceřiná společnost Google, pracuje na vývoji algoritmů strojového učení, které mohou být použity pro optimalizaci výkonu chytrých antén. Tyto algoritmy umožňují anténám samostatně se učit a přizpůsobovat na základě měnících se podmínek v síti, což zlepšuje jejich schopnost zvládat složité scénáře a zvyšuje efektivitu přenosu.
Holografické antény
Holografické antény představují další krok v evoluci anténních technologií, který umožňuje ještě přesnější směrování signálu a vyšší kapacitu. Holografické antény vytvářejí elektromagnetické vlny prostřednictvím holografických vzorů, což zajišťuje flexibilnější a přesnější řízení paprsků. Tato technologie umožňuje přizpůsobit charakteristiky antény tak, aby co nejlépe odpovídaly podmínkám prostředí a požadavkům uživatelů.
Společnost Pivotal Commware je jedním z lídrů v oblasti holografických antén. Jejich produkt HoloGrail využívá holografických vzorů k dosažení vysoké efektivity přenosu signálu s minimálními ztrátami. Holografické antény mají velký potenciál zejména pro aplikace v mmWave pásmech, kde tradiční antény narážejí na problémy se ztrátami signálu a rušením.
Další firmou pracující na vývoji holografických antén je Kymeta, která se zaměřuje na mobilní a satelitní komunikaci. Jejich antény umožňují dynamické přizpůsobení směru signálu pro zajištění stabilního připojení i v pohybu, což je klíčové pro satelitní komunikaci a propojení v obtížně dostupných oblastech.
Teraherzové antény
Teraherzové antény (THz antény) jsou navrženy tak, aby fungovaly v teraherzovém pásmu, což se pohybuje v rozmezí 0,1 až 10 THz. Toto spektrum nabízí extrémně vysokou šířku pásma, což umožňuje přenos obrovského množství dat, a je klíčové pro budoucí aplikace 6G, jako jsou holografické komunikace, ultrarychlé bezdrátové připojení a přesné senzory pro průmyslové aplikace.
Společnost Tokyo Tech vyvinula prototyp teraherzové antény, která dosahuje mimořádně vysoké efektivity při přenosu signálu a nízké spotřeby energie. Tato anténa je navržena tak, aby pracovala s pokročilými technologiemi, jako je beamforming, což zvyšuje přesnost a stabilitu přenosu.
Další významnou firmou v oblasti teraherzových antén je Nokia, která pracuje na vývoji teraherzových technologií v rámci přípravy na 6G. Nokia vyvinula THz anténní prvky, které umožňují dosažení vysoké přenosové rychlosti a nízké latence, což je klíčové pro aplikace, jako je holografická komunikace a rozšířená realita.
Výzvy a budoucí vývoj
Navzdory pokrokům v oblasti chytrých antén existují stále výzvy, které je třeba překonat. Jednou z nich je nutnost zajistit spolehlivost a odolnost těchto antén v různých podmínkách, například v prostředí s vysokou úrovní rušení nebo v oblastech s vysokou hustotou uživatelů. Další výzvou je integrace chytrých antén do mobilních zařízení, která jsou omezena velikostí, hmotností a kapacitou baterie. existují stále výzvy, které je třeba překonat. Jednou z nich je nutnost zajistit spolehlivost a odolnost těchto antén v různých podmínkách, například v prostředí s vysokou úrovní rušení nebo v oblastech s vysokou hustotou uživatelů. Další výzvou je integrace chytrých antén do mobilních zařízení, která jsou omezena velikostí, hmotností a kapacitou baterie.
V budoucnu lze očekávat další zlepšení v oblasti využití metamateriálů, které umožní vytvořit ještě menší a výkonnější antény, a pokroky v oblasti umělé inteligence, která bude hrát stále větší roli při správě a optimalizaci antén. Vývoj nových technologií, jako jsou holografické antény nebo terahertzové antény, otevírá další možnosti pro zlepšení výkonu a efektivity sítí nové generace.
Je také ale zřetelně vidět, jak rozdílné jsou přístupy k implementaci pokročilých anténních systémů u jednotlivých regionů.
- Evropský přístup (reprezentovaný společnostmi Ericsson a Nokia):
- Důraz na standardizaci a interoperabilitu
- Graduální implementace s důrazem na zpětnou kompatibilitu
- Systematická validace v reálných podmínkách
- Asijský přístup (reprezentovaný společnostmi Huawei, ZTE a Samsung):
- Agresivnější implementace nových technologií
- Vyšší míra integrace AI do řídících systémů
- Akcent na miniaturizaci a energetickou efektivitu
- Americký přístup (reprezentovaný společnostmi Qualcomm a Intel):
- Důraz na softwarově definované systémy
- Prioritizace flexibility a rekonfigurovatelnosti
- Důraz na bezpečnostní aspekty
Je zřejmé, že firmy prosazují to, kde jsou nejsilnější. Evropské firmy také musí zohledňovat vysokou uživatelskou bázi, přičemž jejich klienti chtějí ekonomicky smysluplně přecházet mezi jednotlivými technologiemi, takže je pro ně důraz na interoperabilitu stěžejní.
Chytré antény jsou nezbytnou součástí sítí 5G a 6G, které umožňují efektivní využití spektra, zajištění kvalitního signálu a zvýšení kapacity a energetické efektivity. Díky technologiím jako Smart Array, Massive MIMO, fázovaná anténní pole a integraci AI se chytré antény stávají klíčovým prvkem pro budoucí rozvoj mobilních komunikací. Firmy jako Ericsson, Huawei, Nokia, Qualcomm, Metawave a další investují do vývoje těchto technologií, aby umožnily splnění rostoucích požadavků na rychlost, kapacitu a spolehlivost sítí.
Budoucnost chytrých antén slibuje další pokroky v oblasti materiálových věd, strojového učení a optimalizace energetické spotřeby, což nám umožní dosáhnout lepší konektivity, vyšší kvality služeb a efektivnějšího využití zdrojů. Můžeme očekávat, že jednotlivé výzkumné směry budou postupně fúzovat a budeme se stále častěji potkávat s nejrůznějšími kombinovanými technologiemi.
I když… potkávat? Copak někdy někdo z běžných uživatelů zkoumal, jak antény v jejich mobilu fungují?
Pamatuju si, jak Nokia přišla s první integrovanou anténou, kdy z mobilního telefonu nečouhala samotná anténa. Podivil jsem se tehdy, že se problematice antén vůbec věnuje pozornost, cožpak někomu vadí, že z mobilu čouhá vkusně zakrytovaný drátek antény? Dnes je to klíčová součást návrhu mobilních telefonů, která dokonce v minulosti ohrozila nešťastným návrhem i Apple iPhone…
