Qualcomm walczy z fragmentacją... LTE

Łączność LTE ma mnóstwo zalet, ale z urządzeniami wyposażonymi w ten moduł zapewniający szybką transmisję danych jest jeden poważny problem. Z reguły montowany w urządzeniach mobilnych układ obsługuje wyłącznie kilka z szerokiego spektrum częstotliwości używanych przez operatorów na całym świecie. Tym samym smartfony wyposażone w LTE ze Stanów nie muszą koniecznie działać w Europie, czy Australii. To dla użytkownika końcowego spory problem, z którym borykają się też producenci sprzętu.

Wprowadzenie przez operatorów nadajników, a producentów sprzętu odpowiednich modemów w urządzeniach oferujących bardzo szybki transfer danych, to spory krok naprzód jeśli chodzi o rozwój mobilnego dostępu do internetu. Sieci czwartej generacji, do których należy właśnie LTE (Long Term Evolution) zapewniają w teorii transfer nawet o kilka rzędów wielkości szybszy, niż dotychczas stosowane technologię 3G. W praktyce nadal nie osiąga on kosmicznych wartości, a pokrycie takiego kraju jak Polska pod względem zasięgu pozostawia sporo do życzenia, ale nie ulega jednak wątpliwości, że właśnie w rozwoju LTE i innych standardów 4G leży przyszłość całej mobilnej sieci.

A użytkownicy mobilnego internetu mają w końcu coraz większy apetyt na dane. W końcu za pomocą smartfonów i tabletów łączących się z internetem nie sprawdza się już tylko maili i powiadomień z komunikatora. Użytkownicy wysyłają między sobą masę zdjęć, a coraz większy udział w użyciu transferu mają treści wideo, które ze względu na swój charakter są bardzo transferożerne. Tym samym duża prędkość przesyłu danych zaczyna być coraz bardziej istotna. Cieszy, że coraz więcej producentów decyduje się na montaż w swoich sprzętach modułu, który taki transfer zapewnia.

Skrót LTE rozwijany jest jako Long Term Evolution, a nad jego rozwojem pieczę sprawuje konsorcjum 3GPP. Standard ten jest kolejną generacją technologii transmisji danych, która ma w przyszłości zastąpić obecne dziś na szeroką skalę sieci 3G. Dla użytkownika końcowego LTE i 4G oznacza głównie zwiększenie szybkości transferu, zarówno uploadu jak i downloadu danych z sieci. LTE ma także mniejsze opóźnienia i zwiększoną efektywność spektralną łączy radiowych. Więcej o tej technologii możecie przeczytać w moim poprzednim artykule na temat łączności LTE. W tym miejscu przypomnę tylko krótko specyfikację standardu wg dokumentu 3GPP Release 8:

Jak wspomniałem na wstępie, największym ograniczeniem związanym z wykorzystaniem w urządzeniach mobilnych modemu zapewniającego dostęp do sieci LTE jest fakt, że trudno zaimplementować w nim możliwość obsługi szerokiego spektrum częstotliwości. Modemy korzystają zwykle wyłącznie z kilku z nich. To jest problematyczne zarówno dla klientów, jak i samych producentów sprzętu. Oczywiste jest, że z tego powodu konsumenta może spotkać nieprzyjemna niespodzianka. Przykładem sytuacji, gdy brak kompatybilności byłby dotkliwy, są podróże zagraniczne, gdy przywieziony sprzęt nie będzie na miejscu chciał współpracować nawet po zakupie w kraju docelowym nowej karty SIM.

Inną nieprzyjemną niespodzianką może być to, że sprowadzony smartfon lub tablet z innego kraju okaże się niekompatybilny z siecią lokalnego operatora. A historia pokazuje, że taka sytuacja nie musi mieć miejsca nawet przy sprowadzaniu sprzętu na własną rękę. Można tutaj przytoczyć przykład tabletu iPad firmy Apple. Sprzedawany jest na całym świecie wraz z naklejką “4G”, podczas gdy australijskie sieci korzystają z innych częstotliwości. Tym samym na tamtym rynku iPad nie mógł skorzystać z LTE, a wyłącznie sieci 3G, co spowodowało olbrzymie niezadowolenie konsumentów, którzy słusznie poczuli się oszukani przez reklamy i obietnice producenta.

Nie można też zapominać, że konieczność stosowania w produktach różnych typów modemów w zależności od docelowego regionu to też spory problem dla producenta sprzętu. Z tego powodu nie może on być złożony w fabryce w formie jednego projektu, a następnie wysyłany na cały świat w tej samej formie. Dla wszystkich rynków, na których producent chce prowadzić sprzedaż, potrzebne jest opracowanie, przetestowanie i wyprodukowanie tego samego urządzenia w wielu wariantach. To oczywiście wydłuża czas potrzebny na wprowadzenie nowego urządzenia do sprzedaży, powoduje ograniczenie dostępności w niektórych krajach, a także generuje spory koszt dla producenta. A koszt odbiją się naturalnie albo na cenie, albo na jakości produkowanych smartfonów i tabletów.

Na naszym rynku LTE dopiero raczkuje, ale już teraz można z niego skorzystać. Pierwszym operatorem, który wprowadził tą sieć na rynek konsumencki był Cyfrowy Polsat, który udostępnił ją klientom 30 sierpnia 2011 roku. Kilka miesięcy później, czyli 29 listopada 2011 roku do sieci oferujących transfer danych poprzez LTE stał się polski Plus. W przypadku obu polskich operatorów częstotliwość LTE wynosi 1800MHz. Na świecie używane są jednak inne pasma. W Ameryce Północnej jest to 700/800 oraz 1700/1900 MHz, w Ameryce Południowej 2500MHz, w Azji 1800 i 2600 MHz, w Australii 1800 MHz. Poza Polską w różnych krajach Europy można spotkać częstotliwości 800, 900, 1800, 2600, 3400 oraz 3600 MHz.

A skąd w ogóle ten cały problem? To akurat dość proste, jeśli nie zagłębiać się w szczegóły techniczne. Jak już wspomniałem, operatorzy na całym świecie korzystają z różnych częstotliwości. Aby każdą z nich obsłużyć, na płytce drukowanej będącej de facto sercem smartfona i tabletu potrzeba umieścić więcej elementów. Po pierwsze, zwiększa to koszty produkcji, po drugie, lepsze modemy zabierają cenne miejsce w urządzeniu, a po trzecie - od ich działania potrzeba znacznie więcej energii, co ma bezpośrednie przełożenie na czas pracy urządzeń mobilnych na jednym ładowaniu - który jest obecnie ich piętą achillesową.

Bo chociaż bateria zajmuje średnio ponad połowę przestrzeni w bryle smartfona, to i tak urządzenia pochodzące nawet z najwyższej półki, używane niezbyt intensywnie, potrafią rozładować się w środku dnia. To, w połączeniu z tym, że na moduł łączności pozostaje zwykle mniej więcej 15% przestrzeni w środku urządzenia, spowodowało, że producenci zostali zmuszeni do pójścia na kompromisy. Tym samym nowoczesne smartfony i tablety może nie obsługują sieci komórkowych nowej generacji na całym świecie, ale zachował swoje imponujące przekątne ekranów i rozdzielczości, a przy mogą pozostać zgarbne i lekkie.

Tak to działa w tej chwili, ale jest szansa na rozwiązanie tego problemu z korzyścią zarówno dla producentów sprzętu, jak i klientów szukających dla siebie idealnego urządzenia. Teraz do obsługi każdej częstotliwości w urządzeniu muszą w nim zostać umieszczone osobne elementy odbierające sygnał. Aby pozbyć się tej niedogodności firma Qualcomm zaprojektowała specjalny chip, który integruje ze sobą ściśle wszystkie elementy składające się na moduł łączności, w tym sam modem i antenę.

Wprowadzenie nowego rozwiązania ma na dobrą sprawę dwa cele. Podstawowym jest oczywiście walka z fragmentacją wykorzystywanych częstotliwości, aby urządzenie mobilne miało dostęp do wszystkich, a przynajmniej większości z nich. To duże wyzwanie, ponieważ smartfony i tablety muszą wspierać jednocześnie starsze standardy transmisji, czyli 2G i 3G. Naturalnie układ nie może zajmować więcej miejsca niż te obecnie stosowane, a także nie może wpłynąć negatywnie na wydajność samego urządzenia. Innym aspektem jest ten czysto ekonomiczny. Nowe układy mają sprawić, że produkcja smartfonów i tabletów będzie tańsza, przez ograniczenie liczbę potrzebnych do opracowania wariantów - a jeśli już takowe powstaną, to różnice między nimi będą wyłącznie kosmetyczne.

Jest kilka głównych częstotliwości, na których nadają swój sygnał operatorzy, ale ich liczba stale rośnie. Łącznie, tych bardziej i mniej popularnych, jest już ponad 40, a ta liczba stale rośnie. Z tego powodu jeden model urządzenia ma kilka wariantów, bądź dubluje w środku podzespoły odpowiedzialne za odbiór sygnału, co zabiera cenne miejsce. Aby rozwiązać ten problem, moduł łączności w nowym rozwiązaniu Qualcomma jest zaprojektowany tak, aby współpracował z każdym typem sieci i używaną na świecie częstotliwością, które są definiowane przez 3GPP.

Aby osiągnąć zamierzony efekt, który do tej pory był wyłącznie w sferze marzeń, Qualcomm musiał połączyć ze sobą wiele z opracowanych do tej pory rozwiązań. Innowacyjne rozwiązania dotyczą między innymi zarządzania zużyciem energii. Technologia nazwana Power Envelope Tracking pozwala na minimalizację strat energii (według badań Qualcomma nawet o 20%), poprzez dostarczanie jej wyłącznie w momencie, kiedy będzie faktycznie potrzebna. W uproszczeniu układ wykrywa potrzebną ilość prądu do utrzymania połączenia i dostosowuje ją po prostu znacznie częściej, niż w klasycznym układzie. Dodatkowym plusem tego rozwiązania jest zmniejszenie wydzielanego przez układ ciepła (nawet o 30%), co z kolei pozwala zaoszczędzić na miejscu, które przeznaczone by było na układ odprowadzający ciepło.

Drugą ważną częścią nowego układu jest RF POP. Eliminuje ona część zbędnych połączeń między częściami układu, które ułożone są nie na płaskiej powierzchni, a w trójwymiarowej przestrzeni, warstwowo. Oprócz tego zajmuje ona dzięki temu mniej miejsca i pozwala na uniwersalne zastosowanie. Niezależnie od żądanej charakterystyki docelowego modułu LTE (w uproszczeniu: ilości obsługiwanych częstotliwości), elementy układu są rozmieszczone zawsze w tym samym miejscu i zajmują taką samą powierzchnię, więc przygotowanie urządzenia międzynarodowego, lub wyłącznie na niektóre rynki, nie pociąga za sobą konieczności przeprojektowania innych elementów na płytce drukowanej. Chip Qualcomma pozwala na obsługę częstotliwości standardu LTE od 700 MHz do 2,7 GHz, jednocześnie nie rezygnując ze wsparcia dla starszych standardów 2G i 3G.

Trzecim elementem układanki jest technologia o nazwie Adaptive Antena Tuning. To odpowiedź na problem związany ze zmniejszającą się stale grubością urządzeń mobilnych. Nie jest zaskoczeniem, że objęcie lub przyłożenie do głowy urządzenia mobilnego powoduje zakłócenia w odbiorze sygnału, o czym przekonali się boleśnie użytkownicy smartfonów Apple po premierze czwartej generacji iPhone’a. W wypadku wystąpienia dużych zakłóceń urządzenie albo zużywa znacznie więcej energii, albo po prostu gubi zasięg. Aby tego uniknąć chip Qualcomma korzysta do wykrycia zakłóceń nie tylko z informacji pochodzących od stacji bazowej operatora, ale także sensorów umieszczonych w samym urządzeniu.

Podczas badań nad nowym rozwiązaniem, Qualcomm zauważył, że użycie wyłącznie technologii PET bazującej na obwodach CMOS nie gwarantuje tak dobrych efektów, jak firma by sobie tego życzyła. Chociaż realnie zużycie prądu jest podobne do klasycznego układu, to wedle przeprowadzonych przez producenta użyta technologia poza testami laboratoryjnymi sprawdza się nieco lepiej podczas użycia w warunkach naturalnych. Badanie to potwierdza przynajmniej to, że nowe rozwiązanie nie jest pod względem zużycia energii gorsze od obecnie używanych układów, a jednocześnie oferuje inne możliwości, nieosiągalne przez klasyczne moduły.

Rozwiązanie o nazwie kodowej RF360 zaprezentowane zostało w lutym tego roku, a producenci OEM będą mogli skorzystać w najbliższych miesiącach. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, to w najbliższej przyszłości zobaczymy w sklepach urządzenia, które pod względem budowy - i co ważniejsze, możliwości - nie będą różnić się od egzemplarzy sprzedawanych w innych rejonach świata. A to dobra wiadomość zarówno dla konsumentów, jak i producentów. Twórcy urządzeń mobilnych będą mogli zoptymalizować koszty, a dla konsumentów urządzenia mają szansę stać się jeszcze bardziej wszechstronne.

W rezultacie skorzystają na tym wszyscy.

Zdjęcie Mobile Network radio mast in front of blue sky pochodzi z serwisu Shutterstock.
Źródła: qualcomm.com, microwavejournal.com

Wpis powstał we współpracy z partnerem merytorycznym Spider’s Web, firmą Qualcomm.