Глава 1. Сети 5G
1.1 Построение систем сотовой связи
Архитектура беспроводных систем связи ориентирована на использование следующих принципов организации данных систем при размещении их на местности:
• Принципа зонового радиодоступа - когда в центре обслуживаемой терри¬тории размещается базовая станция радиодоступа, через которую организу¬ются соединения между абонентами системы. Существующие беспроводные системы связи могут строиться как однозоновые, когда в системе использу¬ется лишь одна базовая станция радиодоступа, и как многозоновые, когда одновременно могут использоваться несколько базовых станций радиодосту¬па. Они могут быть также объединены в систему с помощью использования мобильных коммутаторов с возможностью выхода на стационарные сети свя¬зи общего пользования (в том числе цифровую систему интегрального об¬служивания) либо напрямую подсоединены с помощью использования АТС к стационарным сетям связи общего пользования. При этом в многозоновых беспроводных системах связи используется принцип частотного планирова¬ния, подразумевающий повторное применение одинаковых частот радиосвя¬зи в разных зонах, расположенных на таком расстоянии друг от друга, кото¬рое позволяет осуществлять радиосвязь требуемого качества с учетом минимально возможной величины взаимных помех, создаваемых базовыми станциями радиодоступа. В свою очередь зона обслуживания одной базовой станцией радиодоступа - сота может быть поделена на сектора, число кото¬рых определяется количеством направленных антенн, размещенных на базо¬вой станции радиодоступа;
• Принципа прямых связен между абонентами в пределах прямой видимо¬сти. Дальность связи между абонентами в таких системах напрямую зависит от энергетических характеристик приемопередающих устройств, используе¬мых в составе абонентского оборудования;
• Комбинированного принципа организации связи между абонентами в бес¬проводной системе связи, когда в пределах прямой видимости абоненты мо¬гут связываться между собой в соответствии с принципом организации прямых связей, а для осуществления связи между абонентами, находящимися вне пределов прямой видимости, используются узлы доступа (другими словами, шлюзы), находящиеся в пределах прямой видимости "своих" абонен¬тов, и между собой.
Разделить обслуживаемую территорию на соты можно двумя способами:
• статистическим, основанным на измерении статистических параметров рас¬пространения сигналов в системах связи
• детерминированным, основан¬ным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для кон¬кретного района.
При статистическом способе вся обслуживаемая территория разделяется па близкие по форме соты и с помощью статистических законов распростра¬нения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до дру¬гих сот, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.
Чтобы разделить территорию на соты оптимально, т. е. без перекрытия пли пропусков участков, могут быть использованы три геометрические фигу¬ры - треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю его площадь.
Расстояния до сот, в которых могут быть использованы одни и те же ра¬бочие частоты, зависят от условий распространения радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций, расположенных вокруг данной ячейки. Для сот с круговой диаграммой направленности антенн обычно применяют модель повторного использования частот (кластер) для семи или девяти БС. Модель с круговой диаграммой направленности антенн предполагает переда¬чу сигнала одинаковой мощности во всех направлениях, что для абонентских станций эквивалентно приему помех со всех направлений. Снижение уровня помех достигается за счет использования секторных антенн. Кроме того, секторизация сот позволяет многократно применять частоты в сотах при одно¬временном снижении уровня помех. Например, при использовании трех сот, трех БС и трех стодвадцатиградусных антенн в каждой соте можно задейст¬вовать девять групп частот (рис. 1.1). Большую эффективность использова¬ния полосы частот обеспечивает модель, представленная на рис. 1.2. При этом модель содержит четыре БС. В каждой соте используется шесть шести-десятиградусных антенн, причем каждая частота применяется дважды. Бла¬годаря этому каждая из четырех БС может работать на 12 группах частот. Таким образом, с помощью секторных антенн в моделях повторного использования частот можно увеличить емкость системы на 40 %. Еще большего увеличения емкости системы можно достичь, применяя автоматическую ре¬гулировку мощности абонентских и базовых станций в процессе связи, адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации¬ отношения сигнал/помеха, а также применяя пространственное разнесение антенн (приема и передачи) на базовых и подвижных станциях (последнее дает общий выигрыш в отношении сигнал/помеха около 4-7 дБ).
Рис. 1.1. Модель повторного использования частот с трехсекторными сотами
Рис. 1.2. Модель повторного использования 12 частот в соседних сотах
Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех сот выбирают одинаковыми. Обычно распределение абонентов ПО по всей обслуживаемой территории неравномерно. Например, в городских условиях плотность абонентов, как правило, выше в деловом центре города и умень¬шается от центра к периферии. Поэтому целесообразно так изменять соты, чтобы их размеры увеличивались к периферии (рис. 1.3). Это позволяет уменьшить стоимость сети связи в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков базовых станций будут зависеть от размеров сот. Кроме того, для территорий с сотами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно по¬вторно использовать рабочие каналы.
При статистическом способе в большинстве случаев интервал между со¬тами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, больше необ¬ходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне.
Рис. 1.3. Пример сети с максимальной плотностью абонентов в центре
Лучшие результаты дает детерминированный способ разделения на соты. В этом случае всегда можно так расположить базовые станции, чтобы мини¬мизировать среднюю величину интервала повторного использования канала и одновременно достичь удовлетворительного обслуживания в пределах всей области, занятой сетью. Для оптимального расположения системы БС необ¬ходимо знать средний уровень сигнала, излучаемого с мест возможного рас¬положения базовой станции, в любой точке расположения абонента вплоть до расстояний, дальше которых указанные сигналы не приводят к взаимным помехам. Информация об уровне сигналов может быть получена в результате измерений или (и) расчетным путем.
1.2 Краткая информация о поколениях сотовой связи
Каждое поколение беспроводной широкополосной связи определяется как набор стандартов телефонной сети, описывающих технологическую реализацию системы. При подключении к Интернету скорость соединения зависит от уровня сигнала, который отображается в аббревиатурах типа 2G, 3G, 4G, 5G и т. д. Буква «G» означает поколение беспроводных технологий.
Цель беспроводной связи - обеспечить высокое качество и надежность связи, как и проводная связь, и каждое новое поколение представляет собой большой скачок в этом направлении. Мобильная связь стала более популярной в последние несколько лет благодаря быстрым реформам в области мобильных технологий. Для сравнения 2G, 3G, 4G и 5G привожу ключевые особенности всех этих технологий.
В таблице 1 представлены основные поколения связи.
Таблица 1.1 Эволюция поколений связи
1G 2G 3G 4G 5G
Период 1980-1990 1990-2000 2000-2010 2010-(2020) (2020-2030)
Пропускная
способность 150-900 МГц 900 МГц 100МГц 100МГц 1000х
Частота Аналоговый сигнал 30КГц Цифровой сигнал (1,8 ГГц) 1.6-2.0 ГГц 2-8 ГГц 3-300 ГГц
Скорость передачи данных 2 кбит/c 64 кбит/с 144 кбит/c – 2 мбит/c 100 мбит/c – 1 гбит/с 1 гбит/c<
Радиосигналы сети 1G – аналоговые, а сети 2G –цифровые. Во втором поколении связи появились SMS и MMS сообщения.
Стандарт 3G использовал UMTS в качестве сетевой архитектуры. Использовалась широкополосная беспроводная сеть, которая повышала четкость изображения. Появилась отправка и получение больших сообщений с помощью электронной почты.
Основное отличие между 3G и 4G – скорость передачи данных. Технологии, которые помогли в разработке 4G – Miltiple Input Multiple Output (MIMO) и Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).
5G предлагает несколько новых преимуществ – большие каналы (ускорит передачу данных), меньшую задержку и возможность одновременного подключения большего количества устройств.
1.3 Общие сведения о 5G
Несмотря на изменения из-за Covid-19, мир вступил в эру 5G. Глобальное введение режимов самоизоляции только подчеркнуло важность надежной и высокоскоростной связи. Изменения в структуре работы и развлечений заострили потребность в более высоких скоростях, большей пропускной способности в сетях связи и в инновационных услугах, которые обещает 5G.
5G — это современное поколение технологий мобильной сотовой связи, которое повышает скорость работы сети Интернет, увеличивает охват и снижает время передачи пакета данных в беспроводных сетях.
5G обладает рядом преимуществ по сравнению с 4G:
1. Высокая энергоэффективность;
2. Увеличенная пропускная способность;
3. Возросшая скорость передачи данных;
4. Более высокая мобильность пользователей.
В таблице 1.3.1 представлены сравнительные характеристики сетей 5G и 4G.
Таблица 1.3.1
Сравнение основных технических параметров
4G/LTE 5G
Загрузка данных 42 Мбит/с 100 Мбит/с
Скорость исходящей связи 25 Мбит/с 50 Мбит/с
Загрузка данных (теоретическая) 1 Гбит/с 20 Гбит/с
Скорость исходящей связи (теоретическая) 500 Мбит/с 10 Гбит/с
Задержки (плоскость управления) 100 мс 50 мс
Задержки (плоскость пользователя) 10 мс 1 мс
Частотный диапазон 700-2100 МГц 28-40 ГГц
5G обеспечит до 1000 раз большую пропускную способность, чем 4G, создавая хорошие условия для развития интернета вещей. 5G и IoT—это идеальное сочетание, предназначенное для переопределения того, как используются беспроводные сети и Интернет в целом. Благодаря возможности беспрепятственного взаимодействия сотен или тысяч устройств будут процветать новые приложения и варианты использования для городов, фабрик, ферм, школ и домов.
Также 5G позволяет использовать несколько антенн на приемопередатчиках. Это повышает скорость и качество сигнала, возможность работать на более высоких частотах – базовые станции будут располагаться ближе.
Новая программная функция 5G- использование нарезки сети (Networkslicing) – появление логически изолированных сетей для определенных задач. Нарезка сетей, с ее бесчисленными вариантами использования, является одной из самых важных технологий в 5G. Это позволит поддерживать новые услуги с совершенно другими требованиями—от подключенного автомобиля до голосового вызова, которые требуют различной пропускной способности, задержки и надежности.
В сетях пятого поколения наряду с достоинствами существуют и недостатки. Они приведены в таблице 1.3.2
Таблица 1.3.2
Недостатки сетей пятого поколения
Плюсы Минусы Проблемы
Технологические Общие
Высокая скорость передачи данных Дорогостоящая технология Межъядерные помехи Связь, навигация и зондирование
Появление новейших технологий Необходимость мощных процессоров и ПО Эффективное управление доступом к среде Безопасность и конфиденциальность
Возможность приобретения устройств с малым объёмом памяти Управление трафиком Киберпреступность
Тем не менее, 5G – это поколение сети, которое обещает обеспечить более высокую скорость загрузки, большую надежность, меньшую задержку и большую пропускную способность, чем предыдущее поколение 4G LTE.
1.4 Архитектура построения сетей 5G
МСЭ-R определил три важные категории этих сценариев использования сетей 5G, как показано на рисунке 1.4.1
Рис.1.4.1 Сценарии использования сетей 5G.
1) Усовершенствованная подвижная широкополосная связь (eMBB) - усовершенствованная широкополосная связь в помещениях и вне помещений, внутрикорпоративное сотрудничество, дополненная и виртуальная реальность.
2) Интенсивный межмашинный обмен (mMTC) – IoT, отслеживание материальных активов, «умное» сельское хозяйство, «умные» города, мониторинг энергопотребления, «умный» дом, удалённое наблюдение. Возможность подключения большого числа устройств.
3) Сверхнадежная передача данных с малой задержкой (URLLC) – автономные транспортные средства, «умные» электросети, дистанционное наблюдение за пациентами и телемедицина, автоматизация производства. Высоконадежное соединение с очень низкой задержкой передачи данных.
Изначально усовершенствованная подвижная широкополосная связь (eMBB) разрабатывалась для применения в технологии LTE. Технология 5G должна обеспечить ещё более высокий уровень обслуживания для абонентов и ещё более высокие скорости передачи данных. В качестве целевых значений для скорости передачи данных в 5G рассматриваются десятки гигабит в секунду (а именно до 20 Гбит/с в нисходящем канале). Для того, чтобы обеспечить такие высокие скорости передачи данных используются очень широкий канал (до 1-2 ГГц) и многоантенные технологии передачи данных.
mMTC данная область применения характеризуется возможностью подключения очень большого количества устройств. Примерами таких устройств служат различные датчики (воды, газа, тепла и т.д.), сенсоры и т.п. Кроме низкой стоимости, отличительной особенностью таких устройств является низкое энергопотребление. Это необходимо для того, чтобы обеспечить продолжительное время (несколько лет) работы от автономных источников питания. Объёмы данных, передаваемые этими устройствами, также незначительны. Поэтому высокие скорости передачи данных в mMTC области не являются критическим аспектом.
URLLC отличается низкими задержками передачи данных (< 1 мс в одну сторону) и высокой надежностью и доступностью соединения. Примерами сценариев или областей применения, где выдвигаются такого рода требования, служат: удалённое управление различными механизмами и роботами: автоматизация производственных линий; различные сценарии в области беспилотного транспорта и т.д. Для того, чтобы поддержать выдвигаемые данными сценариями требования в спецификации 5G предусмотрен набор специальных механизмов. Например, поддержка так называемых mini-slot, которая позволяет передавать данные на радиоинтерфейсе между базовой станцией и абонентским устройством в течение очень короткого интервала времени (доли мс). Кроме того, в технологии 5G заметно выше требования к времени обработки данных, как на стороне базовой станции, так и на стороне мобильного терминала (т.е. времени на обработку данных отводится существенно меньше по сравнению с тем, которое было отведено в технологии LTE).
По мнению операторов беспроводной связи, eMBB будет представлять собой первичный сценарий использования 5G на ранних этапах развертывания сети. Благодаря eMBB густонаселённые районы будут охвачены высокоскоростной подвижной широкополосной связью, пользователи получат доступ к высокоскоростной потоковой передаче данных по запросу на домашних устройствах, экранах и мобильных устройствах, появятся условия для развития услуг внутрикорпоративного сотрудничества. Некоторые операторы также рассматривают eMBB в качестве решения «последней мили» в районах, где не хватает соединений по медному кабелю или волоконно-оптических соединений до жилых помещений.
Как ожидается, технология 5G также будет способствовать развитию «умных» городов и IoT за счёт развёртывания большого количества маломощных сенсорных сетей в городах и сельских районах. Благодаря своей безопасности и надёжности технология 5G может быть использована при обеспечении общественной безопасности, а также при оказании критически важных услуг, например, в «умных» электросетях, работе полиции и служб безопасности, предприятиях энерго- и водоснабжения и здравоохранения. В силу своей высокой эффективности и малого времени задержки технология 5G подходит для использования в дистанционной хирургии, автоматизации производства и осуществления контроля за процессами в режиме реального времени.
Малое время задержки и характеристики безопасности 5G сыграет важную роль в развитии интеллектуальных транспортных систем, позволяя «умным» транспортным средствам связываться друг с другом, а также предоставляя возможности для создания подключенных, автономных автомобилей и грузовиков. Например, автономное транспортное средство (АТС), управляемое облачной системой автономного вождения, должно будет уметь останавливаться, ускоряться и поворачивать после получения соответствующей команды. Задержка в сети или потеря сигнала, препятствующие доставке сообщения, могут привести к катастрофическим последствиям. И всё же операторы беспроводной связи считают, что до ввода АТС в эксплуатацию ещё далеко, несмотря на продолжающиеся эксперименты и испытания в этой области. В приложении 1 приведены основные требования, которым должна соответствовать технология 5G. Стоит отметить, что большинство приведённых значений представляют граничные случаи и вряд ли будет возможность достичь все эти граничные значения одновременно.
1.5 Требования к сетям 5G
Основные технические требования к сетям пятого поколения представлены в таблице 1.5.1
Таблица 1.5.1
Технические требования к сетям пятого поколения
Параметр Значение
Пиковая скорость передачи данных 20 Гбит/с (линия вниз)
10 Гбит/с (линия вверх)
Практическая скорость на абонента 100 Мбит/с – 1 Гбит/с
Спектральная эффективность 2-5х
Энергоэффективность 100х
Временная задержка в радиоинтерфейсе 1 мс
Мобильность абонента До 500 км/ч
Плотность распределения трафика ? 10 Мбит/с/м2
Количество активных абонентских
терминалов ? 1млн./км2
Основные понятия:
Пиковая скорость передачи данных – это максимальная скорость передачи данных в идеальных условиях на один АТ.
Практическая скорость на абонента – достижимая скорость передачи данных, которая повсеместна по всей зоне покрытия доступна абоненту или устройству. У сетей пятого поколения должна быть не ниже 100 Мбит/с.
Спектральная эффективность характеризует скорость передачи информации в заданной полосе частот.
Энергоэффективность (на стороне сети) – определяется количеством информационных бит, передаваемых абонентом на единицу потребления энергии в сети радиодоступа. На стороне абонента – определяется количеством информационных бит на единицу потребления энергии модуля связи.
Временная задержка в радиоинтерфейсе – это вклад радиосети в интервал времени от момента посылки пакета данных от источника до момента его приёма получателем.
Мобильность абонента – максимальная скорость, которая может быть достигнута при заданном качестве обслуживания и непрерывности передачи управления между радиоузлами, которые могут принадлежать к разному уровню или технологиям радиодоступа.
Плотность распределения трафика – это общая скорость трафика обслуживаемого на единице географической площади.
Эффективность сетей пятого поколения должна быть повышена благодаря искусственному интеллекту, необходимость которого заключается в осуществлении обработки данных, управлении сетевыми ресурсами и их координация, а также повышение уровня интеллекта соединенных и автономных систем. Эта цель легла в основу осуществления программы МСЭ по разработке концепции внедрения "IMT на период до 2020 года и далее", создав основу для исследований в области сетей пятого поколения, которые сейчас активно проводятся во всём мире. МСЭ также создал Оперативную группу по машинному обучению для будущих сетей, включая 5G (ОГ-ML5G). Эта Оперативная группа изучает сценарии использования, услуги, требования, интерфейсы, протоколы, алгоритмы, архитектуру сетей, учитывающую машинное обучение, и форматы данных.
IMT 2020 (5G) – это название систем, компонентов и связанных с ними элементов, поддерживающих расширенные возможности, превосходящие возможности систем IMT-2000 (3G) и IMT-Advanced (4G).
Существенное повышение эффективности и надёжности сетей, повышение качества обслуживания конечных пользователей, предложение услуг и абсолютно новых приложений на гигабитных скоростях – это всё о 5G. 5G создает условия для внедрения конвергированных проводных и беспроводных сетей, в частности предоставляя возможности для интеграции систем управления сетями.
На рисунке 1.5.1 представлена наглядная диаграмма технических характеристик в виде паутины.
Рис.1.5.1 Улучшение характеристик от 4G до 5G
1.6 Тенденция развития 5G в России
В таблице 1.6.1 рассмотрена взаимосвязь между частотным диапазоном и типами услуг, которые целесообразно предоставлять в нем.
Таблица 1.6.1
Диапазоны частот для возможных реализаций различных сервисов системы 5G
Ниже приведены подходы к созданию и использованию сети радиосвязи 5G/IMT-2020 в Российской Федерации операторами с использованием лицензируемого и нелицензируемого диапазонов частот, включая диапазоны радиочастот в полосах: 694-790 МГц; 3,4-3,8 ГГц; 4,4-4,99 ГГц, 5,9 ГГц, 24,25-29,5 ГГц, 30-55 ГГц, 66-76 ГГц, 81-86 ГГц. При этом для наиболее эффективного и быстрого внедрения будущих сетей подвижной радиосвязи технологии 5G/IMT-2020 требуется использование существующих полос радиочастот для эволюции сетей LTE-Advanced и выделение новых полос радиочастот в более высоких диапазонах радиочастот для внедрения сетей NR.
