MForum.ru
09.01.2018,
В декабре 2017 в рамках 3GPP были завершены работы над первыми спецификациями систем мобильной связи пятого поколения (5G) [1]. Это означает, что уже очень скоро мы сможем увидеть первые образцы оборудования и первые сети 5G.
Лидия Варукина, к.т.н., директор по технологическому развитию Nokia в Восточной Европе
В начале прошлого года вышла статья с обзором технологии 5G и статуса стандартизации [2]. В продолжение первой публикации в данной статье покажем те технологические составляющие 5G, которые достигли статуса стандарта на данный момент.
Как и планировалось к концу 2017 были одобрены первые спецификации радиоподсистемы релиза 15 3GPP, так называемой «фазы 0» стандарта 5G. Планы по стандартизации систем 5G в рамках 3GPP показаны на рис. 1. В спецификациях фазы 0 определены минимальный набор требований, архитектура и протоколы, необходимые для запуска сетей 5G.
Из нескольких прорабатываемых вариантов архитектуры сети [2] сейчас специфицирован вариант неавтономной архитектуры 5G (Non-Standalone), см. рис. 2. Такая архитектура упрощает запуск первых сетей 5G, так как в этом случае можно использовать существующие опорные сети LTE (EPC). В такой сети 5G-базовые станции (gNB) работают в связке с LTE-базовыми станциями (eNB). Абонентская станция взаимодействует одновременно с базовой станцией LTE и базовой станцией 5G, т.е. работает в режиме «двойного соединения» (dual-connectivity).
В случае неавтономной архитектуры сети базовые станции LTE должны поддерживать расширенный функционал для взаимодействия с базовыми станциями 5G, в частности, для передачи трафика управления для базовых станций 5G. Этот набор функционала является предметом спецификаций LTE и должен быть зафиксирован в спецификациях релиза 15 в первом квартале 2018 г. В сети автономной архитектуры базовые станции 5G будут работать в связке с новой опорной сетью 5G (NGC). Варианты автономной архитектуры сети 5G (Standalone) будут стандартизированы в середине 2018 г. в рамках полноценного релиза 15.
Из архитектурных вопросов в исследовательских группах по радиодоступу в 3GPP рассматривались также варианты новой архитектуры в подсистеме радиодоступа [2] для внедрения технологии облачных вычислений. Подсистема базовых станций 5G может быть реализована с использованием централизованной топологии, где средства цифровой обработки сигналов и управления базовой станции располагаются в центральном узле c облачной инфраструктурой, а приемопередающее радиооборудование располагается на радиосайтах.
Для снижения нагрузки на транспорт между центральным узлом и радиосайтами (fronthaul), см. рис. 3, рассматривалось несколько вариантов разделения между ними функций цифровой обработки и управления [2]. К сожалению, в рамках 3GPP на данный момент не достигнуто консенсуса по разделению функций. Но другой индустриальный форум Common Public Radio Interface (CPRI) принял спецификацию с требованиями к транспортному каналу между указанными элементами – «усовершенстованный общий открытый радиоинтерфейс eCPRI» [3]. В спецификации содержатся требования к физическому уровню и протоколам транспортного канала для нескольких вариантов разделения функций цифровой обработки сигналов между центральным узлом и радиосайтами. Использование спецификаций eCPRI может позволить передавать трафик между центральным узлом и радиосайтами через пакетные сети, работающие по протоколам Ethernet или IP, если эти сети будут удовлетворять требованиям по пропускной способности и задержке в радиоподсистеме.
Что касается целевых сценариев использования сетей 5G: улучшенный мобильный широкополосный доступ (enhanced Mobile Broadband, eMBB); массовое подключение и обмен данными между машинными терминалами (massive Machine Type Communications, mMTC); ультранадежная связь с низкими задержками (Ultra-Reliable and Low Latency Communications, URLLC), то на данный момент в релизе 15 спецификаций прописаны процедуры для сервисов eMBB. В первом квартале 2018 г. должны быть завершены работы над процедурами для поддержки URLLC. А поддержка сервисов mMTC должна стать предметом спецификаций релиза 16.
Радиоинтерфейс в сетях 5G – New Radio (NR) – специфицирован для диапазонов частот до 40 ГГц и базируется на технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) [4]. На данный момент решено для систем 5G на линии вниз использовать технологию CP-OFDM (Cyclic Prefix - Orthogonal Frequency Division Multiplexing/ортогональное частотное мультиплексирование с использованием циклического префикса). А для линии вверх помимо CP-OFDM есть возможность также использовать технологию DFT-S-OFDM (Discrete Fourier Transform – Spread – Orthogonal Frequency Division Multiplexing/ ортогональное частотное мультиплексирование с предобработкой на базе дискретного преобразования Фурье). Параметры OFDM для радиоинтерфейса NR представлены в табл. 1.
Таблица 1. Варианты параметров OFDM
В частотной области, как и в системах LTE, поднесущие OFDM объединяются в ресурсные блоки группами по 12 последовательных поднесущих. В отличие от системы LTE размер ресурсного блока на несущей NR варьируется в зависимости от разноса между поднесущими.
Во временной области, как и в системах LTE, ресурсы объединяются в кадры длительностью 10 мс, состоящие из 10 субкадров, каждый по 1 мс. В отличие от системы LTE количество символов OFDM в кадре и субкадре варьируется. Минимальный интервал передачи – слот – формируется из 14 символов при использовании обычного циклического префикса и из 12 символов в случае расширенного циклического префикса (необходим для обеспечения связи в сотах большого радиуса, применяется только при разносе поднесущих 60 кГц). Кроме того, для поддержки сервисов с минимальными задержками (URLLC) применяются минислоты – интервалы передачи с числом символов 2, 4 или 7. Таким образом, наименьший достижимый интервал передачи в системе 5G может составлять ~ 18 мкс (при разносе поднесущих 120 кГц). Это определяет теоретически минимальную задержку передачи пакетов в радиоподсистеме NR, которая примерно на порядок больше длительности минимального интервала передачи.
Одним из кардинальных изменений в технологии 5G по сравнению с LTE является использование массивных многоантенных систем (Massive Multiple-Input-Multiple-Output) и поддержка их, начиная с самого первого релиза спецификаций NR. Под массивными многоантенными системами понимаются системы, в которых на базовых станциях используется большое число управляемых антенн, или приемо-передающих трактов, более 8. В абонентских станциях ввиду компактности этих устройств реализуется, конечно, гораздо меньше приемо-передатчиков и антенн. Сейчас в спецификациях релиза 15 включено требование по поддержке, как минимум, 4 приемных и 2 передающих антенн.
Большое число управляемых антенн на базовой станции позволяет эффективно сформировать фиксированный набор узконаправленных лучей. Концепция Massive MIMO в системах 5G подразумевает обслуживание пользователей в различных пространственных сегментах одного сектора базовой станции, или внутри узконаправленных лучей, см. рис. 4.
Такая концепция позволяет также эффективно реализовать многопользовательские схемы MIMO (Multi User MIMO), когда несколько пользователей обслуживаются в разных пространственных сегментах, разных лучах диаграммы направленности антенны, и им предоставляются одни и те же частотно-временные ресурсы радиоканала.
Для базовых станций в релизе 15 сейчас специфицированы процедуры поддержки до 32 передающих трактов (antenna port) и до 8 пространственных уровней (layer) на линии вниз. А в случае реализации MU-MIMO можно сформировать даже до 12 пространственных уровней. [5]
Технология Massive MIMO позволяет в несколько раз увеличить пропускную способность системы по сравнению с технологией MIMO. Другим неоспоримым достоинством технологии Massive MIMO является значительное улучшение радиопокрытия как на линии вниз, так и на линии вверх.
Для улучшения радиопокрытия сетей 5G в высоких диапазонах частот, где ограничивающей по дальности связи, как правило, будет являться линия вверх, также предусмотрена возможность работы с дополнительной несущей на линии вверх (Supplementary Uplink) в более низком диапазоне частот.
На данный момент в спецификации релиза 15 вошли около 30 диапазонов частот [6]. Приведем здесь список ключевых для Европы диапазонов частот, табл. 2.
В табл. 3. сведены основные особенности радиоинтерфейса 5G, релиз 15, в сравнении с LTE-Advanced, релиз 10 (отправная точка для реализации систем 4-го поколения).
Несмотря на то, что основные принципы дизайна радиоинтерфейсов 4G и 5G и даже многие их параметры совпадают, имеются существенные различия между производительностью и эффективностью систем этих двух поколений. Даже без учета выигрыша от Massive MIMO (т.е. при использовании схемы MIMO одного и того же порядка) спектральная эффективность в системе 5G может быть по предварительным оценкам на 50% - 80% выше, чем в системе 4G, за счет:
Будем ожидать первых запусков сетей 5G, тестирования уже стандартизированных решений и проверки результатов многолетних исследований огромных индустриальных институтов.
Литература
+
Подписывайтесь на Telegram-канал, посвященный телекому и ИТ
теги: пятое поколение
+ +
© Лидия Варукина, к.т.н., директор по технологическому развитию Nokia в Восточной Европе,
Публикации по теме:
09.03. Oppo представит новый складной смартфон OPPO Find N6 с "невидимой складкой" экрана
11.02. В МТС готовятся к запуску 5G
09.02. Аналитики прогнозируют резкий рост объема мирового рынка решений 5G
04.02. Частные сети 5G станут эффективнее с технологией XCOM RAN?
04.02. Гонконгская SmarTone выбрала решение Ericsson 5G-Advanced
02.02. На стадионе ФК Барселона развернули 5G SA, но не забыли и про Wi-Fi
29.01. 5G в стратосфере: как Япония будет следить за морем
28.01. Количество базовых станций 5G в Китае превысило 4.83 млн на конец 2025 года
24.01. В Ericsson ожидают стагнации рынка 5G RAN в 2026 году
21.01. Запуск сетей 5G в России в Минцифры видят в 2026 году?
16.01. В Индии говорят о стремительном внедрении 5G
15.01. Airbus начинает проработку создания SpaceRAN – орбитальной сети базовых станций 5G
13.01. Модемы 5G для автомобилей Tesla выпустит Samsung Electronics
17.12. Nokia предупреждает – бум ИИ опережает развитие цифровой инфраструктуры
17.12. Криптонит разработал метод ускорения настройки базовых станций 5G на базе ИИ
17.12. В Германии начали предоставлять услуги с использованием сегментирования ресурсов сети 5G SA
16.12. Южная Корея административными мерами ускоряет переход на полноценный 5G SA
24.05. ИКС Холдинг прирос компанией Crosstech Solutions Group
24.05. Миландр обеспечил импортзамещение ряда изделий, необходимых для отечественных БС 5G
22.05. МТС отчиталась за 1q2026 - ростом выручки и OIBDA
22.05. T2 начинает подключать БС в Москве с помощью ВОЛС
22.05. Процессоры Иртыш – это «переклеенный» Loongson или собственная разработка?
22.05. Российский ИИ GigaChat планируют перевести на китайские чипы?
21.05. Плату за международный трафик введут позднее
21.05. SpaceX готова к проведению масштабного IPO
21.05. Облачное доверие на ЦИПР-2026: гибридный баланс, государственный пример и контроль от железа до ПО
21.05. Новосибирская компания Элрон представила одноплатник на процессоре Гиперком-У
21.05. Российский ИИ GigaChat планируют перевести на китайские чипы?
21.05. II Всероссийская конференция по печатным платам: время масштабировать прорывы
21.05. Бюро 1440 и Белинтерсат договорились о сотрудничестве
21.05. Yadro и T1 подписали соглашение о сотрудничестве в области инфраструктурных решений
22.05. Poco Pad C1 – доступный планшет с экраном 2K 120 Гц и батареей 7600 мАч
22.05. Утечка раскрыла параметры HMD Thunder Pro – 50 МП с OIS, OLED 90 Гц и 6000 мАч
22.05. HMD Vibe 2 5G – 6000 мАч, 120 Гц и Android 16 от $115
21.05. iQOO 15T – Dimensity 9500 Monster, 8000 мАч, 200 МП и 144 Гц от $558
21.05. Itel A100 Pro дизайн в стиле iPhone 17 Pro за $95 и с Android Go
21.05. Infinix Hot 70 – получит термохромный дизайн и RGB-подсветка
20.05. Moto G37 и G37 Power – Dimensity 6400, 7000 мАч и Android 16 от 145 долларов
20.05. Motorola Edge (2026) получит плоский дизайн вместо изогнутого
20.05. Дизайн Samsung Galaxy A27 показался на рендерах производителей чехлов
19.05. RedMagic 11S Pro и Pro+ получили разогнанный чип, 8000 мАч, вентилятор и IPX8
19.05. Realme 16T с 8000 мАч, IP69 представят 22 мая
19.05. OnePlus Ace 7 – экран 240 Гц, батарея 9000 мАч и охлаждение с вентилятором?
18.05. Vivo Pocket может получить 200 Мп сенсор Sony LYT-901
18.05. 22 мая представят Realme Watch S5 и Buds Air8 Pro с AMOLED 1500 нит, 55dB ANC, LHDC
16.05. Xiaomi 17 Max – 8000 мАч, 200 МП Leica, 6.9" Super Pixel — анонсируют 21 мая
15.05. Представлен Moto Tag 2 с 600 днями работы, UWB и Google Find Hub
15.05. Xiaomi тизерит Band 10 Pro и наушники-клипсы
14.05. Oppo может получить улучшенную квадратную фронталку разрешением 100 МП
14.05. Vivo Y60 – бюджетник с экраном 120 Гц и АКБ 6500 мАч
13.05. Nubia GT Buds – прозрачный дизайн, RGB-подсветка и ANC за $39