Сучасний стан та перспективи розвитку систем абонентського радіодоступу з урахуванням технологій 5G+

Размещено на http://www.allbest.ru//

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНЫЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Кафедра КРіСТЗІ

Реферат

з дисципліни

«Мережі та системи радіодоступу»

на тему: «Сучасний стан та перспективи розвитку систем абонентського радіодоступу з урахуванням технологій 5G+»

ВСТУП

Розгортання мереж за технологією LTE-Advanced та зростання ринку абонентських пристроїв 3G/4G, WiMAX/TD-LTE у розвинутих країнах світу йде повним ходом. У порівняні з попередніми версіями в технологіях IMT-Advanced з'явилися такі функції, як розширення смуг частот, агрегація спектру, ретрансляція, підтримка гетерогенних мереж, 8 x 8 MIMO (низхідний канал) та ін. Паралельно 3GPP розробляє наступні версії LTE-Advanced, які вже будуть представляти зв'язок 5G. Перспективи розвитку телекомунікаційних систем пов'язані з використанням сучасних технологій та їх комбінацій, сучасних та перспективних підходів по обробці сигналів в адаптивних (інтелектуальних) антенних решітках і т.д.

Дослідження нових функцій в сучасних технологіях дає можливість краще орієнтуватися при виборі шляхів подолання проблем впровадження мобільного зв'язку 5G у всьому світі та бачити перспективи, опираючись на досвід провідних телекомунікаційних компаній по розгортанню мереж 5-го покоління.

Експонентне збільшення трафіку мобільних даних вважається критичним рушієм до нової ери, або 5G, мобільних бездротових мереж. 5G потребує зсуву парадигми, який включає дуже високі спектри несучої частоти з величезною пропускною здатністю, надзвичайною щільністю базової станції та безпрецедентним числом антен для підтримки величезного збільшення обсягу руху.

У цьому документі розглядаються декілька варіантів дизайну, особливостей та технічних проблем, які ілюструють потенційні дослідницькі теми та виклики для майбутнього покоління мобільних мереж. Ця стаття не забезпечує остаточного рішення, але висвітлює найбільш перспективні напрямки досліджень з недавньої літератури, загальні напрямки для проекту 5G. Потенційні технології фізичного рівня, які розглядаються для майбутніх бездротових комунікацій, включають просторове мультиплексування, використовуючи масивні багатокористувацькі методи з декількома входами (MIMO) з міліметровими хвилями (мм-хвилі) в геометріях малих комірок. Ці технології детально обговорюються разом із напрямками майбутніх досліджень.



ПОКОЛІННЯ 5G

Малюнок 1 - Часові проміжки кожного покоління стандартів

П'яте покоління мобільного зв'язку розробляється на основі стандартів телекомунікацій, наступних за існуючими стандартами 4G / IMT-Advanced. В даний час стандарти для розгортання 5G-мереж тільки починають створюватися. Виходячи з того, що нові покоління стандартів стільникового зв'язку з'являлися в середньому кожні 10 років, з першого 1G (NMT) в 1981 р, 2G (GSM) в 1992 р, 3G (WCDMA / FDMA) в 2001 р, 4G ( 3GPP LTE, WiMax) в 2010 р, впровадження міжнародного стандарту 5G можна очікувати в районі 2020-2023 р. якщо взяти за увагу весь світ (мал. 1). Передбачається, що технології 5G забезпечуватимуть більш високу пропускну здатність у порівнянні з технологіями 4G, що дозволить забезпечити більшу доступність широкосмугового мобільного зв'язку, а також використання режимів «device-to device» (букв. «пристрій з пристроєм»), наднадійні масштабні системи комунікацій між пристроями, а також більш короткий час затримки і менша витрата енергії батарейок, ніж у 4G-обладнання.

П'яте покоління мобільних мереж - обіцяє стати особливо проривним. Кажуть, саме завдяки йому безпілотні авто, віртуальна реальність і інтернет речі активно увійдуть в наше повсякденне життя. На даний момент технологія зв'язку п'ятого покоління активно тестується по всьому світу.



ЕВОЛЮЦІЯ МОБІЛЬНИХ МЕРЕЖ

5G має величезну швидкістю передачі даних - кілька гігабіт на секунду. Нещодавно в Швеції встановили черговий рекорд - 15 Гбіт/с. Це в 40 разів швидше діючих бездротових мереж.

Ще 5G зменшує затримку сигналу (в залежності від середовища поширення і використовуваної частоти сигнал буде приходити до одержувача з тієї чи іншої затримкою) до однієї мілісекунди - проти 10 мілісекунд в мережах 4G і 100 мілісекунд в 3G.

Таблиця 1 - Еволюція мобільних мереж

ЯКА Є ПОТРЕБНІСТЬ МЕРЕЖІ 5G?

Кожне нове покоління стільникового зв'язку значно збільшує швидкість передачі даних. Так народжуються нові послуги і нові формати контенту. Люди отримують нові розваги і нову якість життя.

Давайте подивимося на сервіси, які входять в наше життя і стають все більш затребуваними:

відео 360 градусів;

віртуальна і доповнена реальність;

відео з роздільною здатністю 4К і 8К;

тактильний інтернет;

розумні і безпечні міста і підприємства;

5G буде затребуваний на транспорті, який все більше оснащується телеметричним системами, а в майбутньому повинен ставати безпілотним;

також 5G буде сприяти появі нових сервісів, наприклад голографічних дзвінків.

Крім цього, драйверами зростання споживання мобільного трафіку є:

популяризація хмарних технологій - моделі online сховищ даних абонента на численних розподілених в мережі Інтернет серверах;

online гри і їх оновлення;

збільшення кількості пристроїв;

зростання обсягу споживання відеопослуг і збільшення дозволу відеозображення, про які було сказано раніше.

Головне - абоненту надати канал. Як показує практика, яка б ширина каналу не була, він його займе. Але в першу чергу 5G буде затребуваний для B2B сегменту.

Таблиця 2 - Перспективи 5G у конкретній сфері

Як 5G змінить наше життя?
Сфера	Ефект
Безпілотні автомобілі	ліквідація небезпечної затримки сигналу на великій швидкості
Промисловість	швидкодія промислових роботів і уніфікація інфраструктури
Сільське господарство	віддалене управління сільгосптехнікою, моніторинг полів і стад
Освіта	наочне навчання через VR-трансляцію процесу з точки зору майстра
Телемедицина	віддалені операція в реальному часі
Спілкування	інтерактивна віртуальна реальність: користувачі зможуть взаємодіяти на відстані так, як ніби вони знаходяться поруч
Розвага	швидка бездротова передача відео надвисокої чіткості (4К, 8к), трансляція заходів з ефектом VR
Комп'ютерні ігри	розраховані на багато користувачів VR-ігри без затримок сигналу

ОСОБЛИВОСТІ ТКС

Якщо взяти за увагу те, що за допомогою нових технологій будуть досягнуті такі пікові швидкості в 5G як 10-20 Гбіт/с, що вже є гарним показником для нової мережі, будуть впроваджуватися такі технології, як:

Massive MIMO, а також адаптивні методи формування та відстеження променя (beamforming).

Дані рішення необхідні для забезпечення надійної і стійкої мобільного широкосмугового зв'язку в більш високочастотних діапазонах. До класу Massive MIMO відноситься система з числом керованих антен більше 8. При цьому кожна «керована антена» може являти собою групу випромінюючих елементів.

New Radio (NR).

На відміну від радіоінтерфейсу LTE, де піднесущі LTE практично завжди розділені інтервалом 15 кГц, в 5G NR відстань між піднесущими частотами може змінюватися. Так 5G NR піднесущі можуть бути розташовані з інтервалом 15 кГц x 2n. Максимальна відстань між піднесущими в 5G NR одно 240 кГц. Це дозволить гнучко налаштовувати поведінку мережі при наданні різних типів послуг, які мають різні вимоги до затримок. Крім цього, в Release 16 планується розглянути альтернативні варіанти радіоінтерфейсу для мереж 5G, що дозволить підвищити ефективність використання дорогоцінного частотного спектра.

Більш широкий частотний спектр, який буде виділений в високочастотних діапазонах.

Ви правильно помітили, що це максимальні значення швидкості, які є цільовими для стандарту 5G. На підсумкову призначену для користувача швидкість, яку буде отримувати абонент, впливає безліч факторів:

кількість абонентів в секторі базової станції;

категорія використовуваного абонентом обладнання;

віддаленість від обслуговуючої базової станції;

рельєф місцевості і / або стіни і навіть вікна будівель;

та інше.

Network slicing ( «мережева нарізка»)

Це означає, що інфраструктура мережі 5G може бути логічно нарізана на «мережеві шари» «слайси» для різних бізнес-додатків і для різних технологій радіодоступу.

Ці мережі можуть бути окремо оптимізовані під різні вимоги швидкостей передачі даних. Так для перегляду відео 4K буде важлива швидкість, але затримки через інерційність сприйняття зорового апарата не будуть критичними. Для передачі даних, критичних до затримок, буде використаний спеціальний слайс, який називається ultra-reliable low latency communication. До таких типів даних слід віднести: тактильний інтернет, онлайн-ігри та ін.

D2D (Device-to-Device)

Це безпосереднє взаємодія «пристрій-пристрій» без участі базової станції.

D2D, зокрема, необхідно для взаємодії безпілотного автомобіля з дорожньою інфраструктурою та іншими автомобілями. Крім цього, технологія D2D буде використовуватися в рамках концепції public safety (громадську безпеку) при безпосередній взаємодії двох абонентських терміналів спеціального призначення при розгортанні в умовах надзвичайної ситуації.

Віртуалізація втратити зв'язок із мережею (Network Functions Virtualization, NFV)

Передбачає використання технологій віртуалізації для відділення функцій логічних мережевих елементів від апаратної інфраструктури мережі зв'язку. При використанні NFV в телекомунікаційних мережах відбувається виконання мережевих функцій з використанням спеціалізованих програмних моделей, які виконуються на серверах або віртуальних машинах в телекомунікаційних мережах.

«Fog computing» (туманні обчислення).

Розгортання мікроЦОДов максимально близько до місця генерації трафіку (Mobile Edge Computing), зокрема, безпосередньо на базових станціях.

ОСНОВНІ ПРОБЛЕМИ

Є три основні чинники, що заважають більш стрімкого розвитку мереж п'ятого покоління:

невизначеність з частотними діапазонами і, відповідно, відсутність мережевої інфраструктури та абонентського обладнання;

відсутність нормативно-правової бази, що регулює роботу мереж 5G;

запуск і найбільш ефективна комерціалізація 5G повинні відштовхуватися від найбільш актуальних для абонентів і бізнесу варіантів використання нових мереж. Чим раніше вони будуть позначені і визначені в якості технологічної стратегії, тим швидше будуть розвиватися мережі 5G.

ПОКРАЩЕНИЙ РАДІОІНТЕРФЕЙС ДЛЯ МЕРЕЖ 5G+

Ефективність радіоінтерфейсу п'ятого покоління буде збільшена в три рази, тобто стане пропускати до 3-х разів більше даних при тій же ширині смуги. Очікуваний показник: 6 біт / сек на 1 Гц.

Наприклад, в якості претендентів на звання радіоінтерфейсу мереж 5G+ Huawei пропонує наступні технічні рішення:

1. SCMA (Sparse Code Multiple Access).

Це заснований на виряджених кодах метод поділу абонентів, що не вимагає підтвердження про доставку. Працює він у такий спосіб. Перед трансляцією за допомогою телефону бітові потоки різних абонентів з одного частотного ресурсу перетворюються в кодове слово за допомогою так званої кодової книги. Відновлення сигналу на приймальній стороні також проводиться по кодової книзі.

2. F-OFDM (Flexibel OFDM).

F-OFDM надасть під кожну задачу свій набір параметрів за рахунок гнучкого розбиття на поднесущие, застосування різної довжини символів і змінюється величини циклічного префікса. F-OFDM є вдосконаленою версією OFDM

3. Polar Code - технологія з субквадратічной складністю кодування.

Являє собою лінійний коригувальний код, заснований на явищі поляризації каналу.

Полярні коди дозволять підвищити частотний спектр в 3 рази, дозволять проводити декодування лінійної складності і істотно збільшити швидкість передачі даних.

ПРАКТИЧНІ ПЕРЕВАГИ 5G

Малюнок 2 - Порівняння основних параметрів систем 4G та 5G

Платформа мережі 5G надає для операторів значні переваги, що виражаються перш за все, в розширенні функціональних можливостях і пропускної здатності мережі (performance) і підвищенні задоволеності користувачів (User Experience). На малюнку нижче показані основні параметри мережі IMT2020 (5G), в порівнянні з показниками IMT-Advanced (4G), які дозволяють цього досягти.

Пікова швидкість: мережа 5G забезпечує в 20 разів бтльшую швидкість в порівнянні з 4G, тобто, близько 20 Гбіт / с.

Швидкість на користувача (середня) при цьому може досягати 100 Мбіт / с і більше. абонентський зв'язок мережа

Ефективність використання спектру, кількість інформації, яку можна передати на одиницю частотного діапазону, в мережі 5G буде принаймні в 3 рази вище, ніж в 4G.

Мобільність користувача, швидкість, з якою може переміщатися користувач з терміналом 5G по площі покриття мережі без втрати хендовер між базовими станціями, в мережі 5G досягає 500 км / год, що дає можливість користуватися послугами 5G в швидкісних поїздах.

Затримка в мережі 5G знижується до 1 мс і менше, в той час як в мережі 4G можна досягти мінімум 10-мілісекунди затримки. Це дозволяє використовувати технологію 5G для критичних комунікацій і відеоспостереження, послуг тактильного інтернету, AR / VR тощо.

Щільність терміналів в мережі 5G підвищується на порядок і може досягати декількох мільйонів пристроїв на 1 кв. км, тобто, на 1 квадратному метрі поверхні можуть розташовуватися кілька десятків або навіть сотень мініатюрних пристроїв (наприклад, сенсорів IoT).

Енергоефективність мережі 5G на порядок краще, ніж в мережі попереднього покоління.

Ємність трафіку на одиницю площі, тобто швидкість передачі даних квадратний метр площі покриття мережі, в 5G на два порядки вище, ніж в мережі 4G.

Малюнок 3 - Співвідношення за ступенем важливості параметрів мережі 5G для основного функціоналу

На малюнку нижче показані співвідношення за ступенем важливості для основного функціоналу 5G (вдосконалений мобільний широкосмуговий доступ eMBB, наднадійні комунікації з низькою затримкою, масивні межмашинного комунікації) параметрів мережі 5G, показаних на попередньому малюнку.

АРХІТЕКТУРА

Малюнок 4 - Архітектура 3GPP мережі 5G

Архітектура 3GPP мережі 5G показана нижче на малюнку 4. NG-RAN складається з набору gNB, підключених до 5GC (базова мережа 5G) через інтерфейс NG. GNB можуть бути з'єднані через інтерфейс Xn. GNB може складатися з централізованого блоку gNB (gNB-CU) і розподіленого блоку gNB (gNB-DU). CU обробляє протоколи і послуги не в реальному часі, а DU обробляє протоколи рівня PHY і послуги в реальному часі. Блоки gNB-CU і gNB-DU підключаються через логічний інтерфейс F1. Один gNB-DU підключений тільки до одного gNB-CU. Для забезпечення відмовостійкості gNB-DU також може бути здатний підключатися до іншого gNB-CU (якщо первинний gNB-CU відмовляє) за допомогою відповідної реалізації. NG, Xn і F1 є логічними інтерфейсами.

У тих випадках, коли fronthaul є мережею між RRU (віддаленим радіо блоків) і DU (інтерфейсами CPRI і eCPRI), проміжний транспорт є мережею між DU і CU (інтерфейс F) і транзитним з'єднанням є мережа між CU і 5G CN (інтерфейс NG) і між CU (Інтерфейс Xn). У деяких випадках CU і DU розташовуються спільно і утворюють gNB. У такому сценарії RRU до gNB є транзитним між центральним вузлом та радіосайтами, а gNB до 5G CN - транзитним між вузлами опорної мережі. Передній транспорт зазвичай ґрунтується на LL FS (функціональний розподіл низького рівня), а проміжний транспорт зазвичай ґрунтується на HL FS (функціональний розподіл верхнього рівня).

ЕВОЛЮЦІЯ БЕЗДРОТОВОЇ ТРАНСПОРТНОЇ АРХІТЕКТУРИ ВІД 4G ДО 5G

Основна зміна в еволюції від 4G / LTE до 5G нової транспортної архітектурі радіо (NR) полягає в тому, що початкова функція BBU в 4G / LTE розділена на три частини: центральний блок (CU), розподілений блок (DU) і віддалений радіо блок (RRU ). Мотивація для цього редизайну різноманітна. Наприклад, новий дизайн міг би полегшити віртуалізацію мережі радіодоступу (RAN). Це також дозволяє знизити швидкість лінії фронту, одночасно відповідаючи вимогам до затримки.

Конкретні функції, що знаходяться в CU і DU, залежать від розгортання і все ще обговорюються. На малюнку 5 наведено один приклад переходу від 4G до архітектури з розділеними функціями в 5G. Архітектура RAN в 4G складається з удосконаленого пакетного ядра (EPC), модуля основної смуги частот (BBU) і віддаленій радіоголовкі (RRH). При переході до 5G в цьому прикладі частина функцій користувальницької площині (UP) переміщається з EPC в CU і DU, функції рівня 2 (L2) не в реальному часі і функції рівня 3 (L3) з BBU в CU, рівень 1 (L1) / L2 функції реального часу від BBU до DU, а інші функції L1 від BBU до RRU. Функції EPC перерозподіляються між ядром наступного покоління (NGC), CU і DU. Два нових створених інтерфейсу зазвичай називаються точкою поділу верхнього рівня (Fronthaul-II) і точкою поділу низького рівня (Fronthaul-I). Інші розподілу функцій між NGC, CU, DU і RRU також можуть бути можливі. На малюнку 5 жовті лінії вказують інтерфейси для транспортних мереж, а сірі або чорні лінії зі стрілками ілюструють міграцію функцій 3GPP.

Малюнок 5 - Перехід від 4G до архітектури з розділеними функціями в 5G

Зверніть увагу, що 3GPP розглядає архітектуру розділеної базової станції, що складається тільки з CU і DU. У цьому технічному звіті ми приймаємо розділену архітектуру, що складається з трьох елементів: CU, DU і RRU.

ПЕРЕХІД ВІД ОДНОГО ВУЗЛА В 4G ДО АРХІТЕКТУРИ З ПОДІЛОМ ФУНКЦІЙ В 5G

Малюнок 6 - Розгортання ядра до базової станції

У грудні 2017 року 3GPP описав перехід на 5G в двох варіантах випуску 15: нестандартний і автономний. Тільки в нестандартних умовах базова станція 4G LTE (eNB) і базова станція 5G NR пов'язані між собою подвійним з'єднанням. У початкових розгортання, варіант 3 на малюнку 6 нижче, 4G Evolved Packet Core (EPC) залишається ядром і підключений до базової станції 4G LTE, яка, в свою чергу, підключена до базової станції 5G NR (званої en-gNB в цей випадок ). У більш пізніх розгортаннях ядро ??5G NG розгортається з підключенням до базової станції 4G LTE (тепер званої ng-eNB і показаної в варіанті 7) і, можливо, потім до базової станції 5G NR (варіант 4). Ця еволюція дозволить користувача устаткування (наприклад, мобільних телефонів) розвиватися в підтримку функцій радіозв'язку і ядра 5G.

Малюнок 7 - Автономні конфігурації

Звичайно, поточний розгортання 4G LTE є автономним з базовою станцією 4G і ядром (як у варіанті 1 на малюнку 7), а кінцева мета - автономна 5G (варіант 2) з базовою станцією 5G NR і ядром NG.

ФУНКЦІОНАЛЬНИЙ СПЛИТ В FRONTHAUL LINK

Малюнок 8 - Ланцюг обробки сигналів бездротових базових станцій 4G та 5G та опціональний спліт

Як у висхідному, так і в низхідному напрямках радіосигнали проходять через серію блоків обробки сигналів. На малюнку 8 показані ці функціональні блоки і потенційні точки поділу в бездротових мережах 4G і 5G. Важливо відзначити, що традиційна передова установка, яка використовує Опцію 8 (протокол CPRI або OBSAI), вимагає безперервної передачі бітрейта незалежно від того, чи присутній призначений для користувача трафік чи ні. Однак з іншими опціями поділу (1-7) обсяг переданих даних масштабується з трафіком користувача.

ПРОПУСКНА ЗДАТНІСТЬ КАНАЛУ

Зазвичай у бездротовій мережі 4G передня зв'язок знаходиться між РФ та рештою функціями L1 / L2 / L3, використовуючи протокол CPRI / OBSAI (Варіант 8 розділеної точки). Цей варіант розділення дозволяє здійснювати централізацію всіх функцій обробки високого шару за рахунок найсуворіших вимог до затримки передньої передачі та пропускної здатності.

Цей звичайний фронтальний хід базується на транспортуванні оцифрованих даних IQ часової області. Для застосувань дуже великої місткості, таких як eMBB (посилена мобільна широкосмугова мережа) або для радіо сайтів з багатьма незалежними антенними елементами (багатошаровий MIMO), ці рішення на передньому плані вимагають необґрунтовано високих транспортних потужностей, дозволяючи при цьому транспортувати затримки лише до кількох сотень µ сек.

У таблиці 1 показано потужність передачі даних IQ часової області (швидкості CPRI без кодування рядків), необхідні для підтримки різних радіочастотних смуг і кількості антенних портів в бездротовому 5G мережа з використанням діапазонів параметрів, визначених 3GPP.

Таблиця 1 - Необхідна пропускна здатність переднього зв'язку в бездротовій мережі 5G

Значення в таблиці 1 є приблизними чистими швидкостями передачі даних (без коду рядка), обчисленими рівнянням (1) нижче. Розрахунок показує, що для передачі через інтерфейс CPRI (Варіант 8) потрібна швидкість передачі даних 491,52 Мбіт/с на 10 МГц радіопропускної здатності та на антенний порт.

?????????? = ?? • ???? • ???? • 2 • (16?15) (1)

Тут A - кількість антен на сектор; ???? являє собою частоту вибірки (15,36 мс/с на 10 МГц радіочастотної смуги) та ???? кількість біт на зразок (15 для LTE). Решта факторів враховують роздільну обробку зразків I та Q (фактор 2) та додаткову накладну інформацію (фактор 16/15).

СЦЕНАРІЇ РОЗГОРТАННЯ RAN

Як правило, транспортна мережа 5G може містити передні, середні та дальні мережі. Однак різні оператори можуть використовувати різні сценарії розгортання. Ідентифіковано чотири сценарії розгортання RAN.

Незалежні місця RRU, CU та DU

У цьому сценарії є передня, середня та дальна мережі. Відстань між RRU та DU знаходиться в діапазоні 0-20 кілометрів, тоді як відстань між DU та CU становить до десятків кілометрів.

Спільно розташовані МС та ДУ

У цьому сценарії МС та ДУ розташовуються разом, отже, немає проміжного ремонту.

Інтеграція RRU та DU

У цьому випадку RRU і DU розміщуються близько один до одного, можливо, сотні метрів, наприклад, в одній будівлі. Щоб знизити вартість, RRU підключається до DU просто через пряме волокно і не потрібне транспортне обладнання. У цьому випадку існують проміжні та віддалені мережі.

Інтеграція RRU, DU та CU

Ця мережева структура може використовуватися для сценаріїв з невеликими стільниковими і гарячими точками. У цьому випадку є лише відключення. Наведені вище чотири сценарії застосування засновані на поточних розгортаннях бездротової мережі та передбачуваних функціональних розбиттях, описаних бездротовими SDO. Однак остаточні сценарії застосування визначатимуться специфікаціями бездротового зв'язку, додатками (тобто eMBB vs URLLC), доступністю транспортної технології та вимогами до розгортання операторів.

АРХІТЕКТУРА РОЗПОДІЛУ СИНХРОНІЗАЦІЇ

АРХІТЕКТУРА ЧАСТОТНОЇ СИНХРОНІЗАЦІЇ

Опорний сигнал часу мережі синхронізації частоти може передаватися через пакетну мережу або через мережу TDM (наприклад, транспортну мережу SDH).

Для розподілу частотної синхронізації по мережі визначено два основні методи: фізична синхронізація на основі шару (наприклад, Synchronous Ethernet) та пакетна синхронізація (наприклад, PTP). У випадку фізичної синхронізації на основі шару частотний опорний сигнал поширюється через фізичний рівень, і він може забезпечити високу точність Інформація про рівень тактової частоти (код SSM) передається у відповідний канал (наприклад, ESMC у випадку синхронний Ethernet).

Для пакетної синхронізації пакетна мережа розподіляє частотний опорний сигнал за допомогою пакетів PTP.

Вимоги до продуктивності та керування частотною синхронізацією визначені у серії рекомендацій ITU-T G.826x. МСЕ-T G.8265 описує архітектуру та вимоги до пакетного розподілу частоти в телекомунікаційних мережах, а МСЕ-T G.8261 забезпечує мережеву архітектуру та вимоги, пов'язані з фізичною синхронізацією на основі фізичного рівня.

МСЕ-T G.8262.1 розробляється для визначення підвищених вимог до продуктивності годинника фізичного рівня, і цей годинник може бути використаний для підтримки більш точної синхронізації часу.

АРХІТЕКТУРА ЧАСУ СИНХРОНІЗАЦІЇ

Вимоги щодо продуктивності та керування синхронізацією часу визначені в серії рекомендацій ITU-T G.827x. Загальна архітектура синхронізації часу визначена в ITU-T G.8275. Вимоги до синхронізації часу та моделей опорних мереж визначені МСЕ-T G.8271 та МСЕ-T G.8271.1. Моделі опорних мереж були визначені з метою аналізу та отримання цілей синхронізації часу в різних частинах мережі. Один приклад моделей мережевих довідок показаний на малюнку 6-1.

Малюнок 9 - G.8271.1, HRM-2 з підтримкою частоти фізичного рівня - конгруентний сценарій

ВИМОГИ ДО СИНХРОНІЗАЦІЇ

ЧАСОВА СИНХРОНІЗАЦІЯ

В даний час рішення, визначені в серії ITU-T G.827x, відповідають вимогам синхронізації від кінця до кінця в часі +/- 1,5 мікросекунди. Це ґрунтується на вимогах, визначених у 3GPP для підтримки операцій TDD (Time Division Duplex).

Для 5G відповідні вимоги також визначаються 3GPP. Як специфічні для фронтального перегляду, можуть також розглядатися відповідні вимоги, визначені TWRI TWG.

3GPP попередньо погодився, що для 5G TDD операцій точність синхронізації стільникової фази, виміряна на роз'ємах антени BS, повинна бути кращою 3 мкс. Це означає, що загальні вимоги до мережі становлять +/- 1,5 мікросекунди.

Триває робота над вимогами синхронізації, що застосовуються до спеціальних функцій радіомовлення (агрегація оператора, подвійне підключення тощо), які потрібно розгорнути в контексті 5G. Початкова згода була досягнута в 3GPP щодо вимог, що застосовуються до передачі різноманітності MIMO або TX та до внутрішньополосного суміжного агрегації несучої. Примітка: у цих випадках припущення, як правило, стосується спільно розташованих антен, тому вирівнювання по фазі потрібно лише локально (не потрібно розподіляти синхронізацію по транспортній мережі). Це область подальшого вивчення.

Можна зауважити, що для деяких мобільних додатків (наприклад, що стосуються додатків на передній план), контроль відносної похибки часу, як правило, достатній (тобто не потрібно гарантувати контроль помилки часу стосовно абсолютного джерела часу, такого як GNSS).

Малюнок 10 - Ілюстрація відносної помилки часу

ЧАСТОТНА СИНХРОНІЗАЦІЯ

Нещодавно вимоги до синхронізації частоти 5G були узгоджені 3GPP і це узгоджується з тими ж вимогами, що і до LTE (50 ppb / 100 ppb). Далі наведено таблицю з TS 38.133, що забезпечує специфікацію мінімальної вимоги до помилок частоти, яка виражається в точності модульованої несучої частоти кожного носія NR, що спостерігається протягом 1 мс:

Таблиця 2 - Мінімальні вимоги до помилок частоти

BS клас	Точність
Широка область BS	±0.05 ppm
Середній діапазон BS	±0.1 ppm
Місцевий район BS	±0.1 ppm

ІНТЕРФЕЙС

Цей пункт надає більш детальну інформацію про характеристики інтерфейсу 5G, які ставлять вимоги до транспортних мереж, що підтримують інтерфейс.

Інтерфейси до транспортної мережі з мереж 5G / IMT2020 використовуються для запиту транспортних послуг. Різні параметри цих запитів включають ємність та затримку для підтримки між користувачами інтерфейсу. Вони зведені в наступних таблицях.

ЄМНІСТЬ

Таблиця 3 - Вимоги до ємності

На інтерфейсі F1	DL 4016 Мб/с; UL 3024 Мб/с;
На інтерфейсі Fx	DL: 10.1~22.2 Гбіт/с; 37.8~86.1 Гбіт/с; UL: 16.6~21.6 Гбіт/с; 53.8~86.1 Гбіт/с;
На інтерфейсі Xn	25 Гбіт/с - 50 Гбіт/с;
На інтерфейсі NG	For CU: 10 Гбіт/с - 25 Гбіт/с; For CN: 100+ Гбіт/с;
Frounthaul	Залежить від кількості інтерфейсів CPRI та eCPRI. 10 Гбіт /с - 825 Гбіт/с;
Midhaul and Backhaul	Залежить від кількості інтерфейсів. 25 Гбіт/с - 800 Гбіт/с;
Базова станція (Gnb)	Вони стосуються комбінації інтерфейсів NG та Xn і відображають ємність на основі gNB для 3 комірок з 64T антенами 64R для низької частоти та 2T 2R для високої частоти. Peak: 6.14 Гбіт/с для 5G LF (низькі частоти); 19.8 Гбіт/с для 5G HF (високі частоти); Average: 2.97 Гбіт/с for 5G LF; 9.9 Гбіт/с для 5G HF

ЗАТРИМКА

Цифри - це затримка в одну сторону, а не назад.

Таблиця 4 - Вимоги до затримки

На інтерфейсі F1	1,5 ~ 10 мсек
На інтерфейсі F1	100, 125, 250 та 500 мкс (кілька сотень мкс)
Fronthaul	<100 мкс
UE-CUЃieMBB)	4 мс
UE-CUЃiuRLLC)	0,5 мс

МЕРЕЖЕВЕ ОХОПЛЕННЯ

Діапазони будуть сильно відрізнятися між різними мережевими операторами. Наступні значення базуються на внесках, отриманих SG15 на сьогоднішній день.

Таблиця 5 - Вимоги до мережі

Fronthaul	1 ~ 20 км
Midhaul	20 ~ 40км
Backhaul	1 ~ 10км Агрегація: 5-80км Ядро: 20 ~ 300 км

УПРАВЛІННЯ ТА КОНТРОЛЬ

Малюнок 11 - Приклад взаємодії між системою управління 3GPP та системою управління транспортною мережею

Приклад взаємодії між системою управління 3GPP та системою управління транспортною мережею показаний на малюнку нижче.

Підтримка розрізання мережі в транспортній мережі описана в розділі 10. Для цілей цієї ТР зроблені наступні припущення:

Система управління транспортною мережею реалізується контролером SDN.

Для підтримки мережі, показаної на рисунку 8-1, кожна з транспортних мереж буде представлена ??як незалежний екземпляр мережевого фрагмента (який не відрізняється від інших екземплярів мережевого фрагмента).

Система управління 3GPP запитає екземпляр фрагмента транспортної мережі для кожного типу послуги 3GPP (наприклад, uRLLC, eMBB тощо). - Кожен екземпляр фрагмента транспортної мережі буде підтримуватися незалежною віртуальною мережею (VN), кожен з (логічно) окремим інтерфейсом управління.

Нарізки транспортної мережі будуть налаштовані під час підготовки або введення в експлуатацію.

Транспортна мережа підтримуватиме лише фрагменти мережі, які не будуть відомі про випадки зрізу E2E через відмінності в деталізації. Тому кожен фрагмент транспортної мережі підтримуватиме нульовий або більше екземплярів фрагмента E2E.

Транспортна мережа безпосередньо видима в системі управління 3GPP (як показано на малюнку 8-1), і кожен VN буде розглядатися як екземпляр підмережі керованого мережевого фрагмента (MNSSI).

Нижче наведені вимоги щодо координації між системою управління ТН та системою управління 3GPP:

Система управління транспортною мережею повинна мати можливість приймати від системи управління шматочками E2E 5G (тобто, систему управління 3GPP) 3GPP E2E 5G специфічні вимоги до екземпляру (наприклад, продуктивність, ізоляція тощо) для з'єднання, що забезпечується транспортною мережею , система управління транспортною мережею повинна відповідати на запит відповідним екземпляром підмережі фрагмента транспортної мережі. Шаблони підмереж фрагментів транспортної мережі можуть бути розроблені заздалегідь, і в цьому випадку запит від системи управління 3GPP включатиме посилання на певний шаблон. Як тільки встановлений відповідний екземпляр підмережі транспортної мережі, асоціація між екземпляром підмережі підрозділу транспортної мережі та екземпляром фрагмента E2E 5G буде встановлена і може управлятися або системою управління транспортною мережею, або менеджером 5G E2E.

Система управління транспортною мережею повинна мати можливість приймати запит на опис можливостей (наприклад, топології, потужності, типу клієнтів, що підтримуються тощо) транспортної мережі та надавати запитувану інформацію.

Система управління транспортною мережею повинна мати можливість змінювати примірник підмережі транспортної мережі на основі запитів від системи управління шматочками E2E 5G.

Система управління транспортною мережею повинна мати можливість приймати запит на конфігурацію та активацію моніторингу продуктивності, порогові показники та нагляд за відмовою та надавати спонтанні звіти про порогові сигнали тривоги та сигнали про несправності та на запит звітів про результати моніторингу продуктивності для наданого з'єднання за підмережею фрагментів транспортної мережі.

ЗАХИСТ МЕРЕЖІ

На підставі наявних відомостей про архітектуру мережі була розроблена модель порушника для мереж зв'язку 5G / IMT-2020 року, в якій сформульовано перелік основних загроз інформаційній безпеці та визначено апаратно-програмне об'єкти захисту, що впливають на конфіденційність, цілісність і доступність інформації, що обробляється в цих мережах, а саме:

1) обладнання центру виготовлення ключів,

2) обладнання виготовлення та програмування USIM-карт,

3) USIM-карти (eSIM),

4) кошти аутентифікації абонентів,

5) ЦОД різного рівня з серверним обладнанням та оркестратор,

6) SDN контролери,

7) комутатори,

8) базові станції з модулями (CU, DU, RU),

9) абонентські пристрої (UE).

Забезпечення інформаційної безпеки мережі зв'язку 5G / IMT-2020 року, згідно з принципами, закладеними в діючих специфікаціях і рекомендаціях,

засноване на наступних підходах із застосуванням зарубіжних криптографічних алгоритмів, в тому числі:

1) Застосування протоколів аутентифікації і узгодження ключів для взаємної аутентифікації абонентського обладнання з мережею 5G (протоколи 5GАКА і ЕАР-АКА).

2) Забезпечення абонентським пристроєм (UE) і базовою станцією (gNB) обов'язкової підтримки шифрування і контролю цілісності абонентського і сигнального RRC трафіку від UE до gNB, і обов'язкової підтримки шифрування і контролю цілісності сигнального NAS трафіку від UE до функції управління доступом і мобільністю (AMF). Шифрування і контроль цілісності здійснюється застосуванням базових алгоритмів SNOW 3G, AES, ZUC.

3) Використання прихованого ідентифікатора абонента SUCI і глобального тимчасового унікального ідентифікатора абонента 5G-GUTI для забезпечення конфіденційності особистості абонента.

4) Застосування захисту інтерфейсів базових станцій і формування мережевого домену безпеки.

5) Реалізація забезпечення інформаційної безпеки в загальній архітектурі мережі, на основі криптографічних механізмів, закладених в. мережевих функціях AUSF, SEAF, ARPF, SCMF, SPCF, SIDF.

6) Застосування архітектури «Network slicing», що забезпечує ізоляцію різних верств мережі з визначенням для кожного з них власного рівня безпеки.

7) Забезпечення можливості реалізації криптографічного захисту кінцевими сервісами (V2X, IoT, IMS, і ін.), що функціонують поверх мереж 5G.

8) Підтримка протоколу TLS для взаємного захищеного обміну інформацією між функціями ядра мережі 5G.

9) Застосування захисту сигнального і призначеного для користувача трафіку між базовою станцією eNb мережі 4G-LTE і базовою станцією gNb мережі 5G ( «Option 3» сценарію міграції 4G до 5G).

Аналіз перерахованих підходів до забезпечення інформаційної безпеки показує, що вони засновані на застосуванні іноземних криптографічних алгоритмів. Доцільно, при створенні і розвитку мереж 5G / IMT 2020 на території Російської Федерації впроваджувати механізми забезпечення інформаційної безпеки в зазначених мережах вітчизняні криптографічні алгоритми.

Поряд з використанням вітчизняних криптографічних алгоритмів інформаційна безпека мереж 5G / IMT-2020 має гарантуватися застосуванням довіреної програмного забезпечення (ПО) і довіреної електронної компонентної бази (ЕКБ).

З огляду на складність впровадження українських криптоалгоритмів в специфікації міжнародних стандартів, на ранніх етапах розвитку мережі 5G в Україні бачиться необхідним застосування вітчизняних криптографічних рішень в ключових елементах мережі: SIM-картах, обладнанні виготовлення ключів, обладнанні аутентифікації абонентів.

Подальше підвищення рівня інформаційної безпеки повинно вестися шляхом планомірної роботи по збільшенню частки довіреної ПО і ЕКБ, а також впровадження російських криптоалгоритмів в специфікації міжнародних стандартів.

Крім цього, для забезпечення безпеки в мережах 5G повинні бути реалізовані:

захист від несанкціонованого доступу до ключової і критично важливої ??інформації,

забезпечення стійкості функціонування, включаючи протидію Недокументовані функціоналу в ПО, декларованих можливостей ЕКБ, використання довіреної часу і т.д.,

розмежування сегментів мережі із застосуванням міжмережевих екранів,

захист від комп'ютерних атак, в тому числі DDoS-атак, із застосуванням засобів виявлення та попередження комп'ютерних атак,

захист від впливу шкідливого ПО, включаючи засоби антивірусного захисту,

забезпечення технічної готовності до захищеного обміну з суб'єктами,

засоби налагодження і розробки програмно-технічних комплексів, що забезпечують безпеку інформації при використанні інформаційної інфраструктури 5G / IMG-2020 року,

виконання вимог «Захист інформації. Розробка безпечного програмного забезпечення. Загальні вимоги".

забезпечення цілісності програмного забезпечення, налаштувань і конфігурацій,

забезпечення захисту каналів управління.



ВИСНОВОК

Таким чином, перспективи розвитку ТКС спеціального призначення можуть бути реалізовані за рахунок:

використання нових сигнально-кодових конструкцій та властивостей сигналів, що застосовуються в телекомунікаційних системах;

адаптивного розподілу потужності між променями багатопроменевої діаграми спрямованості, використання адаптивної модуляції та кодування;

адаптивного формування діаграми спрямованості (з використанням попереднього кодування або безпосередньо формування діаграми спрямованості);

підвищення швидкості передачі інформації за рахунок формування паралельних просторових потоків (MIMO технології);

використання в умовах радіоелектронннного подавлення режиму ППРЧ, його комбінації з розширенням спектру методом прямої послідовності та іншими підходами;

вдосконалення існуючих та розробки нових методів оцінки стану каналу зв'язку;

використання вейвлет перетворень для задач подавлення шуму в спостереженні, виявлення сигналів, ортогонального мультиплексування замість ортогонального частотного мультиплексування OFDM і т.д.;

використання ортогональних просторовочасових кодів, що дозволить отримати максимально можливий порядок рознесення при незначній обчислювальній складності;

використання результатів теорії ігор, теорії випадкових матриць? статистик високого порядку (кумулянтів);

широкого впровадженням методів просторово-часової, поляризаційно-часової, частотно-часової обробки сигналів, адаптивних (інтелектуальних) антенних решіток;

використання сучасних методів подавлення шуму в спостереженні, основаних на використанні методу головних компонент, технології сурогатних даних і інших;

прискорення реалізації найбільш складних складових сучасних методів обробки сигналів з використанням розпаралелювання обчислень (систолічних обчислювачів), графічних процесорних елементів;

використання цифрових методів генерування та обробки сигналів в ортогональних базисах (на основі власних векторів кореляційної матриці спостереження, степеневому, з використанням ортогоналізації Грама-Шмідта і інших).

Размещено на Allbest.ru

...