5G - новое поколение в сотовой связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Академия ФСО России

5G-hoboe поколение в сотовой связи

Тюмеров М.А.

Научный руководитель: Тезин А.В. кандидат технических наук, доцент

Россия, г. Орел

Аннотация

Данная статья посвящена одной из самых обсуждаемых в последние годы технологии 5G. Она позволяет обеспечить более высокую емкость сети, снизить время задержки и увеличить скорость передачи благодаря чему новая разработка в ближайшее время станет одним из передовых в инфокоммуникационном мире. В статье рассматриваются причины повышения эффективности 5G.

Ключевые слова: инновации, сотовая связь, новое поколение, эффективность, достоинства.

Annotation

This article is devoted to one of the most discussed 5G technology in recent years. It allows you to provide a higher network capacity, reduce latency and increase transmission speed, so that the new development will soon become one of the most advanced in the infocommunication world. The article discusses the reasons for increasing the efficiency of 5G.

Key words: innovations, cellular communication, new generation, efficiency, advantages.

В настоящее время в области сетевых технологий одним из наиболее обсуждаемых является сеть 5G, которая была запущена в 2020 году, но все еще много говорят о ее функциях, дополнительных преимуществах по сравнению с 4G, ресурсах, необходимые для ее реализации. 5G повлияла на всю мобильную сеть и принесла новую эру технологий. Она является больше, чем сетевая технология следующего поколения, она объединила концепцию Интернета вещей. Основная цель исследований и разработок 5G состоит в том, чтобы обеспечить более высокую скорость интернета при меньших затратах, уменьшить задержки, повысить безопасность и возможности подключения для большого сообщества. Про ключевые инновации в 5 G, позволяющие добиться таких улучшений написано в данной статье.

Миллиметровые волны (mmWave)

В стандарте 5G предусмотрена работа на частотах 24 ГГц и выше. Использование таких экзотических для мобильной радиосвязи диапазонов частот требует пересмотра принципов радиодоступа как на физическом, так и на канальном уровнях. Для общего понимания ситуации в этом диапазоне, ниже приведены графики. На графике зависимости расстояния покрытия от коэффициента усиления показанном на рис.1 видно, что при различных условиях дальность связи на частоте, скажем 28 ГГц, измеряется сотнями метров, хотя при использовании антенных систем с высоким коэффициентом усиления и при условии прямой видимости дальность может существенно вырасти (по некоторым данным до 1 -2 км в СВЧ диапазоне).

Рисунок 1. Зависимость расстояния покрытия от коэффициента усиления

Кроме того, из графика зависимости коэффициента затухания от частоты показанном на рис.2 видно, что миллиметровые волны (mmWaves) характеризуются заметным затуханием в атмосфере.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента затухания от частоты

Таким образом, надежная связь в миллиметровом диапазоне требует применения узконаправленных лучей при условии прямой видимости. Или, как минимум, использования лучей, отраженных от объектов в непосредственной от передатчика близости. Очевидно, что это в свою очередь влечет широкое применение «сверхплотных» архитектурных решений (ultra - dense network solutions): фемто- и пикосот (для снижения требуемой дальности) вкупе с остронаправленными антеннами как на передатчике, так и на приемнике, если последнее возможно (для повышения достижимой дальности и даже перекрытия требования по этому параметру в малых сотах). В таком сценарии «полнонаправленной радиосвязи» (fully-directional communication) поддержанной еще и новыми протоколами MAC уровня (т.к. при работе на прямой видимости и на узком радиолуче меняются протоколы доступа к среде, однако это тема отдельного разговора) разработчики приходят к новой концепции ограниченной по шуму сетевой архитектуры (noise-limited network architecture) вместо принятой сегодня архитектуры, ограниченной по интерференции (interference-limited), а так же абонент- ориентированного дизайна (user-centric design) вместо сегодняшего дизайна, ориентированного на соту или сектор (cell-centric design). И наконец из-за высокой направленности и динамического характера будущих сетей 5G, само понятие «сота» так же будет пересмотрено [1].

Малые ячейки

Малые соты - это небольшие антенные системы с радиоблоком с малым энергопотреблением, которые охватывают небольшую зону или применяются внутри помещений. Радиотехнологии 5G решают многие проблемы скорости передачи данных, надёжнoсти и задержек. Чтобы обеспечить бoлее высокую скoрoсть передачи данных (до гигабит в секунду), неoбходимо повысить рабочие частоты радиосети от 2 до 30 ГГц, но при этом значительно уменьшается радиус соты. Чтобы расширить зoну охвата для бoльшего количества пользователей, в 5G используется концепция малых сот (small cells). Уплoтнение сетевoго покрытия ведёт к тому, что число базовых станций будет увеличиваться. Поэтому было предложено решение Small Cells - решение недорогих, простых в установке и обслуживании базовых станций небольшой мощности, на высокой частоте покрывающих небольшие зоны - до 100-200 м в прямой видимости. Их можно развешивать на мачтах уличного освещения, на стенах домов и других объектах. Сеть 5G должна быть способна эффективно координировать их работу, перераспределяя нагрузку между антеннами. Малые соты имеют способны обеспечивать высокие скорости передачи данных. В сетях LTE advanced и 5G малые соты будут играть важную роль для мобильного широкополосного доступа и приложений, где нужна минимальная задержка сети. Такие малые соты стоят относительно недорого и просто монтируются, однако, для хорошего покрытия нужно их большое количество. Однако, именно такое решение позволит реализовать для сети 5G достаточно малую задержку, что обеспечить нужное качество сервисов 5G. Однако, без локальных центров обработки данных граничной сети Edge, где будут располагаться пулы виртуальных малых сот, такие задержки невозможно будет реализовать. Без локальных и граничных центров обработки данных полномасштабную экосистему услуг 5G построить на сети оператора связи либо невозможно, либо она будет реализована со значительными ограничениями функционала. Исключением могут являться только корпоративные (ведомственные) сети 5G, построенные в масштабах отдельных предприятий. Однако, и сами эти корпоративные IT-системы и сети строятся именно на таких же небольших и микро -ЦОДах, которые в сети 5G используются в качестве локальных и граничных [2]. сеть скорость передача покрытие

Таким образом, можно сделать вывод о том, что принципы архитектуры и инфраструктуры сети 5G значительно влияют на спрос в локальных и граничных ЦОДах.

Massive MIMO

Сети 5G будут отличаться от сетей предыдущих поколений, прежде всего, тем, что в зоне действия каждой соты окажется гораздо больше терминалов различных типов (в т.ч., IoT), чем в традиционной сети (3G/4G). В течение последних лет архитектура сайтов базовых станций мобильных сетей значительно эволюционировала от традиционной архитектуры, в которой радиоблоки приёмопередатчиков радиосигнала были расположены близко к антенне. Разделение базовых блоков цифровой обработки сигналов BBU (Base Band Unit) от блоков аналоговых радиопередатчиков RRH или RRU (Remote Radio Head/Unit) позволяло снизить количество оборудования на сайте и обеспечить более эффективное управление сетью. Следующий этап эволюции архитектуры сайтов базовых станций - интеграция радиочасти базовой станции непосредственно в самой антенне и распределение функционала приемопередатчика радиосигнала по элементам антенны. Такое решение называется активной антенной (active antenna) [2].

Эволюция архитектуры базовой станции от традиционной BTS (Base Transceiver Station) в прошлом к решению удалённой радиочасти RRH (Remote Radio Head), применяемому в настоящее время, и далее к решению активной антенны для сетей 5G в будущем, показана на рис.3.

Рисунок 3. Эволюция антенн от пассивных к активным

С решением активных антенн тесно связано решение Massive MIMO, массированного режима MIMO (Multiple In, Multiple Out), то есть использование нескольких антенн на передачу и на приём, как в передатчике, так и в приёмнике). Иногда Massive MIMO называют также Large Scale MIMO (широкомасштабный режим MIMO).

Спектр применений MIMO содержит следующие режимы:

однопользовательский режим SU-MIMO (Single User);

многопользовательский режим MU-MIMO (Multiple User);

массированный режим Massive MIMO Г21.

Massive MIMO - режим, при котором число антенн на базовой станции много больше, чем число антенн на мобильном терминале, при использовании единого тракта сигнализации. В таком режиме использование частотного ресурса гораздо более эффективно. При этом также значительно повышается число устройств, которые могут быть обслужены на одном частотном и временном канале внутри одной соты, по сравнению с современными системами 4G, как показано на рис.4. Базовые станции 5G будут оснащены гораздо большим количеством маленьких антенн (Small Cells), чем традиционные базовые станции 3/4G, чтобы иметь возможность поддерживать различные применения IoT и другие в сети 5G [3].

Рисунок 4. Сравнение технологий MU-MIMO и SU-MIMO

Beamforming

При аналоговом формировании луча на каждую антенну подается один и тот же сигнал, а затем используются аналоговые фазовращатели для управления сигналом, излучаемым антенной решеткой, таким образом, лучи управляются серией фазовращателей для отправки одного и того же сигнала с нескольких антенн, но с разными фазами. Таким образом, он недорогой, но поддерживает только однопоточную передачу. Одним из основных ограничений и главной проблемой здесь является то, что этот подход не позволяет применять разные веса формирования луча для разных пользователей, и поэтому одновременно генерируется только один луч. Это означает, что формирование луча и mimo потеряют преимущества пространственного мультиплексирования. Цифровое формирование луча формирует различные сигналы для каждой антенны в цифровой основной полосе частот. Для каждой антенны предусмотрена радиочастотная цепочка, что делает цифровое формирование луча особенно желательным для пространственного мультиплексирования, когда мы хотим передавать суперпозицию сигналов, каждый из которых имеет отдельную направленность. Это обеспечивает большую гибкость, поскольку можно назначать разные мощности и фазы разным.

Чтобы создать и изготовить по -настоящему плоские активные антенны для 5G, вся необходимая электроника формирования луча и управления им должна быть встроена в плоскость антенны и располагаться между излучающими элементами. Это становится все более трудным на частотах 5G из-за уменьшения размеров решетки, которая является обратной функцией длины волны. Единая микросхема со всеми необходимыми функциями формирования луча для нескольких элементов является наиболее эффективным способом достижения этой функциональности при очень малых размерах. Высокоинтегрированные кремниевые микросхемы, монтируемые на поверхности антенного элемента, являются ключом к созданию эффективных антенных решеток на частотах 5G миллиметровых волн. Новые приложения -- особенно приложения спутниковой связи следующего поколения и 5G -- для успеха необходима технология формирования луча активной антенны по коммерческим и потребительским ценам [4]

Network slicin

В мобильных сетях 2G, 3G, 4G при незначительном разнообразии сетевых сервисов (передача данных, голосовой сервис, SMS) всем пользователям предоставлялись одни и те же ресурсы. Если заказчики требовали гарантированного качества беспроводной связи с определенным уровнем безопасности (например, службы спасения, службы безопасности), то необходимо было или создавать выделенную сеть, или использовать VPN (виртуальная частная сеть). Технология 5G упрощает решение этой задачи с помощью Network Slicing. Согласно спецификациям 5G 3GPP, в одной физической сети операторы могут создавать тысячи независимых друг от друга сетевых слоев для определенных устройств и приложений. При этом в каждом слое, независимо от его назначения (подключение ли это смартфона к интернету, или подключение робота к центру управления), оператор может гарантировать определенный уровень качества так, как будто речь идет об отдельной сети. Сетевой слой, являясь E2E-сущностью, протянувшийся от сети радиодоступа до ядра через транспортную сеть, может проходить через сетевые элементы от разных производителей. Для каждого сетевого слоя оператор может устанавливать конкретные характеристики, включая скорость, задержку, параметры надежности и безопасности. Для реализации этой концепции требуется определённый набор функциональностей для каждого из сетевых элементов, а также для системы управления и оркестрации сети. Более того, создание и изменение параметров сетевых слоев осуществляется динамически, длительность этой автоматизированной процедуры - несколько минут. При этом новый сетевой слой будет получать гарантированную пропускную способность и будет защищен от перегрузки трафика, который может генерироваться находящимися рядом абонентами, снимающими видео на свои смартфоны и выгружающими его в социальные сети [5].

Таким образом, можно сказать, что будущее 5 G является многогранной темой для исследования и размышления. Настоящее время - это возможность для разработчиков, исследователей, предпринимателей и других участников рынка активно заниматься решением вызовов и проблем, связанных с внедрением 5G, и создавать новые технологические решения, которые способствуют совершенствованию сетей пятого поколения и формированию безопасной, устойчивой и доступной цифровой среды для всех.

Список литературы

1. 5G и миллиметровые волны. [Электронный ресурс].

2. Малые соты 5G. [Электронный ресурс].

3. Активные антенны и Massive MIMO для 5G. [Электронный ресурс].

4. Products. [Электронный ресурс].

5. Что такое «Network Slicing». [Электронный ресурс].

Размещено на Allbest.ru