Какими будут сети мобильной связи 5G? Технические инновации: виртуализация, радиоинтерфейс, Massive MIMO, Spectrum sharing, New Full Duplex и другие

 

Мобильные технологии прочно вошли в нашу жизнь и продолжают укреплять свои позиции. Сети мобильной связи – это сети операторов, обеспечивающие голосовую связи и выход в интерне с одной стороны, а с другой стороны - многообразный спектр гаджетов, датчиков и умных устройств: от смарт-трекеров в настоящем до умных кофеварок, автомобилей и целых городов в скором будущем.

Согласно правилу 10 лет, каждое десятилетие сменяется поколение мобильной связи. Но даже один стандарт в рамках 10 лет не стоит на месте. Например, четвертое поколение классифицируют на технологии LTELTE-A; WiMAX; 4,5G и другие. Если опираться на правило, для господства 4G есть еще около трех-четырех лет. В то же время, все чаще появляется информация о инновациях для сетей 5G и тестировании pre-5G сетей. От некоторых вендоров и операторов поступают амбициозные заявления развернуть их в течение 2018-2020 гг.

На сегодняшний день официальные стандарты 5G не сформированы. Передовые игроки мирового телекоммуникационного рынка, среди которых Qualcomm, Huawei, Ericsson, Verizon, AT&T, Nokia и другие, предлагают свои концепции будущих сетей, тестируя их прототипы.

Ключевой особенностью каждого поколения, о которой заявляют в первую очередь, является скорость передачи данных. Однако это не единственная характеристика. С учетом развития Интернета вещей и, как следствие, увеличения количества подключенных устройств, а также с постоянно возрастающим объемом потребляемого трафика определены следующие требования к пятому поколению:

  1. Пропускная способность сети свыше 10 Гбит/сек.
  2. Поддержка одновременного подключения до 100 млн. устройств/км2.
  3. Задержка передачи данных не более 1 мс.
  4. Распределение между различными услугами необходимого частотного ресурса.

 

Виртуализированная архитектура 5G

Эффективной технологией, которая позволит сократить объем операторского оборудования и упростить обслуживание инфраструктуры, может стать программно-конфигурированная сеть SDN (Software-Defined Networks). SDN способствует цифровой трансформации компаний и переводу сервисов на облачные технологии.  Фундаментальный принцип работы Software-Defined Networks – это дистанционное управление сетью и  устройствами передачи данных, т.е. программно.

В свою очередь предполагается, что виртуализация сетевых функций NVF (Network Functions Virtualization) позволит виртуализировать различные функции многих сетевых элементов операторов мобильной связи, а также реализовать «сеть по запросу». Т.е. обрабатываться и хранится данные будут в виртуальной среде ("в облаке"). За классическим оборудованием останется функция передачи пользовательского трафика. Такой подход к организации сетей пятого поколения отвечает прослеживающимся тенденциям беспроводной связи, а именно конвергентности. Конвергентность предполагает интеграцию обособленных объектов сети в единый вычислительный комплекс. Это в том числе важно и для «умных» устройств в целях обмена информацией в режиме онлайн.   

Для организации определенного участка сети операторы применяют уже проработанные решения с набором необходимых параметров и конкретным оборудованием. Виртуализация 5G и сети «по запросу» позволит заранее организовать серверы и DATA-центры для операторов, т.е. предоставит для них «коробочное» решение, значительно сократив временные и финансовые издержки на внедрение новых услуг.

Относительно сетевой архитектуры в пятом поколении выделяют три «облачных» кита, обеспечивающих его работу.

Таблица 1 – Архитектура сетей 5G на основе облачных решений

Access.

Облако доступа

Control.

Облако управления

Forward.

Транспортное облако

- организация работы распределенных и централизованных технологий

- организация работы систем доступа

- совместимость 5G с 3G и 4G 

- управление сессиями

- управление мобильностью

- управление качеством услуг

- физическая передача данных

- обеспечение надежности и скорости сети

- балансировка нагрузки

 

Улучшенный радиоинтерфейс для сетей 5G

модель радиоинтерфейса 5GОдним из препятствий для запуска 5G является недостаток частотного спектра. Предполагается, что в будущих сетях ресурс расширится, в том числе за счет миллиметрового диапазона. Проблему покрытия и доступности сети предполагается решить путем ориентирования на абонентов, то есть радиопокрытие сети будет подстраиваться под нужды абонентов в отличие от предшествующих стандартов.

Эффективность радиоинтерфейса пятого поколения будет увеличена в три раза, т.е. станет пропускать до 3-х раз больше данных при той же ширине полосы. Ожидаемый показатель: 6 бит/сек на 1 Гц.   

Например, в качестве претендентов на звание радиоинтерфейса сетей 5G Huawei предлагает следующие технические решения:

1. SCMA (Sparse Code Multiple Access).

Это основанный на разряженных кодах метод разделения абонентов, не требующий подтверждения о доставке. Работает он следующим образом. Перед трансляцией через радиоинтерфейс битовые потоки разных абонентов из одного частотного ресурса преобразуются в кодовое слово при помощи так называемой кодовой книги. Восстановление сигнала на приемной стороне также производится по кодовой книге.

2. F-OFDM (Flexibel OFDM).

F-OFDM предоставит под каждую задачу свой набор параметров за счет гибкого разбиения на поднесущие, применения различной длины символов и изменяющейся величины циклического префикса. F-OFDM является усовершенствованной версией OFDM

3. Polar Code – технология с субквадратичной сложностью кодирования.

Представляет собой линейный корректирующий код, основанный на явлении поляризации канала.

Полярные коды позволят повысить частотный спектр в 3 раза, позволят проводить декодирование линейной сложности и существенно увеличить скорость передачи данных.

 

Сопутствующие технологии

Создать более совершенную и качественно иную инфраструктуру сетей 5G призван ряд иных технологий. Среди них Massive MIMO, который позволит передавать одному абоненту до 8 потоков данных. Massive MIMO – это комплекс из нескольких антенн, который будет формировать очень острые диаграммы направленности. Технология нескольких лучей улучшит уровень принимаемого сигнала и устранит интерференцию от других абонентов, что положительно повлияет на пропускную способность сети и эффективность использования частотного спектра.

Яркими направленями концепции Интернета вещей являются взаимодействие M2M (межмашинное взаимодействие, англ. Machine-to-Machine, M2M) и D2D (устройство-устройство, англ. Device to Device). Технология M2M необходима для взаимодействия устройств между собой без непосредственного участия человека, т.е. для автоматизации процессов. Сфера применения М2М достаточно широка. Например, в платежных терминалах, системах безопасности, в системах координации транспортных средств. Технология удешевляет процессы, а также минимизируют их зависимость от человеческого фактора, позволяет оперативно реагировать на сбои в работе систем.

Таблица 2 – Эффективные технологии для сетей 5G        

№ 

 Технология

Функции

 №

Технология 

Функции

1.

Novel Multiple Access

- технология доступа

5.

Flexibel Duplex 

- гибкая передача трафика по линиям вверх и вниз

2.

Filter Bank Multicarrier/ Universal Filter Multi-Carrier

- улучшение спектральной эффективности

- оптимизация канальной селективности

- применение 5G в "когнитивном радио"

6.

Ultra-dense networking

- организация сверхплотных сетей за счет технологии виртуализации

- обслуживание большего количества абонентов

- организация одновременного взаимодействия сот между собой 

3.

Advanced Coding and Modulation

- применение совокупности улчшенных технологий модуляций и кодирования

7.

New Full Duplex

- использование одной частоты для разных задач

4.

Low latency & high reliability

- уменьшение задержки сети

- повышение надежности сети

8.

Spectrum sharing

- организация совместного использования частотного спектра на разных уровнях разными технологиями доступа

 Принцип работы New Full Duplex

Рис. New Full Duplex

 

Тестовые результаты сетей 5G

Первые коммерческие экспериментальные запуски сетей пятого поколения планируются в 2018 году в рамках Чемпионата мира по футболу. Участие в их разработке принимают не только федеральные, но и зарубежные операторы сотовой связи и производители телекоммуникационного оборудования.

Одним из лидеров по вопросу развития 5G является Huawei. Компания тестирует прототипы сетей как самостоятельно, так и в партнерстве с другими заинтересованными участниками. Помимо 

Над внедрением стандарта 5G работают Huawei, Sumsung, Qualcomm и другие. В России среди федеральных операторов – МТС и МегаФон. Результаты тестирования некоторых операторов и вендоров в России и зарубежом представлены в таблице 3.   

Таблица 3 – Результаты тестирования сетей pre-5G

 

Период/страна

Полоса, МГц

Диапазон, ГГц

Предельная скорость, Гбит/с

Задержка сети, мс

Telia + Ericsson

Октябрь 2016.

Швеция

800

15

15

3

Vodafone + Nokia

Октябрь 2016.

Австралия

200

4,5

4,84

2,8

Huawei + NTT Docomo

Ноябрь 2016.

Япония

200

4,5

11,29

0,5

МТС + Nokia

Сентябрь 2016. Россия

200

4,5

4,5

 

Мегафон + Nokia

Сентябрь 2016. Россия

200

4,5

4,94

 

И все же ожидать внедрение полноценных сетей 5G в ближайшем времени рано, не смотря на множество испытаний. Операторы исследуют возможности сетей следующего поколения и делают маркетинговые заявления. Но стандартизирующим структурам еще предстоит решение множества формальных вопросов. Первоочередные – это спецификация стандарта со стороны 3GPP и выделение частот под новые сети. Безусловно, экспериментальные достижения операторов ускорят этот процесс и поспособствуют реализации сетей 5G такими, какими их ждут: высокоскоростными, экологичными, надежными, конвергентными и повсеместно доступными.

С техническими особенностями функционирования сетей мобильной связи существующих и новых поколений можно ознакомиться в книге "Мобильная связь на пути к 6G". 

 

Читайте также:

Перспективы развития технологий мобильной связи. От 4G к 5G и 6G.

5G New Radio как базовая технология для для совместного использования частотного спектра в сетях пятого поколения

Представлена реализация технология NFV для виртуализации архитектуры сетей 5G

Быстрее, шире, доступнее: что даст 5G и когда появятся коммерческие сети?

Прототип сети 5G презентуют широкой публике

Тест 2G, 3G, 4G

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Яндекс.Метрика