Варукина Лидия, к.т.н., директор по технологическому
развитию Nokia в Восточной Европе

Сценарии использования и целевые характеристики систем 5G

Под любым новым поколением мобильной связи понимаются революционные изменения в сотовой сети в ее архитектуре и, в первую очередь, в сегменте радиодоступа. Такие революционные изменения, как правило, требуют существенных затрат для разработки и внедрения новых решений, но только эти процессы обеспечивают технологический рывок, который недостижим при эволюционном, не таком дорогостоящем, пути развития.

Сотовая связь сейчас ориентирована на обслуживание пользователей-людей, а через несколько лет мобильный широкополосный доступ должен будет удовлетворять потребности самых разнообразных устройств, объединенных в Интернет вещей (Internet of Things, IoT). Потребности и возможности человека ограничены, а машины могут потреблять любые объемы информации, также могут генерировать огромные объемы за очень короткий промежуток времени. Примером может служить HD-камера, видеопоток с которой должен непрерывно передаваться на линии вверх. Широкое использование облачных хранилищ данных также потребует высокоскоростных каналов обмена информацией, с которым не смогут справиться сети 3-го и 4-го поколений.

Сети мобильной связи нового поколения должны обеспечить поддержку разнообразных сервисов, которые можно сгруппировать следующим образом [1]:

- Улучшенный мобильный широкополосный доступ (enhanced Mobile Broadband, eMBB);

- Массовое подключение и обмен данных между машинными терминалами (massive Machine Type Communications, mMTC);

- Ультранадежная связь с низкими задержками (Ultra-Reliable and Low Latency Communications, URLLC).

Для реализации таких многообразных сценариев связи сети 5G должны отвечать следующим требованиям [1]:

- Пиковая скорость передачи данных на линии вниз 20 Гбит/с и 10 Гбит/с на линии вверх;

- Пиковая спектральная эффективность на линии вниз 30 бит/с/Гц и 15 бит/с/Гц на линии вверх;

- Минимальная задержка в подсистеме радиодоступа 0,5 мс для сервисов ультранадежной связи URLLC и 4 мс для сервисов высокоскоростной связи eMBB;

- Автономная работа машинных терминалов без подзарядки аккумулятора в течение, как минимум, 10 лет (и желательно до 15 лет);

- Максимальная плотность подключенных к сети устройств 1 000 000 устройств/км2 в городских условиях.

- Функции мобильности должны поддерживаться при максимальной скорости движения объектов 500 км/ч.

Эти требования в некоторых комбинациях являются несовместимыми и даже взаимоисключающими (например, вряд ли удастся построить сеть, в которой будут обеспечиваться задержки 0,5 мс для всех пользователей при плотности устройств 1 млн./км2), возможно для реализации этих разнообразных сценариев связи придется использовать разные решения, работающие, например, в разных диапазонах частотах.

Сроки стандартизации

Стандартизация систем сотовой связи осуществляется в рамках 3GPP (3rd Generation Partnership Project) – партнерский проект для стандартизации систем 3-го поколения. Несмотря на наличие в названии «3-го поколения», эта организация разрабатывает спецификации также для систем 2-го и 4-го поколений и приступила к работе над системами 5-го поколения.

Началом стандартизации можно считать семинар “5G” этой организации в США в сентября 2015 г. [2], где были приняты планы по подготовке спецификаций 5G: 1-я фаза спецификаций, должна быть завершена до второй половины 2018 г. (в рамках релиза 15 3GPP); 2-я фаза спецификаций – до декабря 2019 г. (в рамках релиза 16 3GPP).

Планы по стандартизации с тех пор претерпели некоторые изменения в связи с интересом ряда операторов по ускорению коммерциализации систем 5G. В некоторых странах имеется потребность в системах беспроводного доступа, обеспечивающих скорости передачи данных сотни Мбит/с – единицы Гбит/с, там же планируется внедрение этих систем уже в конце 2017 г. – в начале 2018 г. По инициативе ряда операторских компаний этих стран в 3GPP был взят курс на ускорение стандартизации [3].

Соответственно, к концу 2017 должны быть закончены работы по созданию спецификаций для протоколов первого и второго уровней радиоинтерфейса 5G для высокоскоростных приложений (рабочее название радиоинтерфейса 5G – “New Radio”, “NR”).

Для того, чтобы уложиться в сжатые сроки органу по стандартизации приходится ограничивать число рассматриваемых и специфицируемых опций. Например, в спецификации фазы 1, релиз 15 3GPP, войдут требования и функционал для обеспечения высокоскоростной связи eMBB, а вопросы обеспечения ультранадежной связи с низкими задержками URLLC и массового подключения устройств mMTC войдут в последующие релизы 3GPP.

Архитектура сетей 5G

Высокоуровневая архитектура сетей 5G представлена на рис. 1 [4]. Здесь новая подсистема радиодоступа состоит из 5G-базовых станций (gNb) и LTE-базовых станций (eLTE eNBs). Обратите внимание, что LTE-базовые станции в этом случае взаимодействуют с опорной сетью нового поколения (New Generation Core, NGC). Все узлы в подсистеме радиодоступа имеют логические соединения между собой – интерфейсы Xn, а также соединяются с опорной сетью NGC через интерфейсы NG. В состав новой опорной сети NGC входят шлюзы для трафика управления и пользовательского трафика (New Generation Control Plane/ User Plane Gate Way, NG-CP/UPGW).

Рис. 1. Общая архитектура сети 5G

Для упрощенного запуска первых сетей 5G в рамках 3GPP также рассматривают архитектуру, позволяющую переиспользовать существующие опорные сети LTE (EPC). В этом случае 5G-базовые станции работают в связке с LTE-базовыми станциями. Эта архитектура называется неавтономной (Non-Standalone, NSA. Варианты этой архитектуры изображены на рис. 2, где S1-C – интерфейс между EPC и базовой станцией для трафика управления, NG-U – интерфейс между EPC и базовой станцией для пользовательского трафика.

Рис. 2. Неавтономная архитектура 5G (Non-Standalone)

На последующих этапах развития сетей 5G будет востребована новая опорная сеть, конечно, c расширенным функционалом, позволяющим реализовать множество нововведений, например, необходимых для более эффективной работы приложений IoT. Архитектура сетей 5G, где в опорной сети используются элементы нового поколения, называется автономной – “Standalone (SA)”. Варианты автономной архитектуры изображены на рис. 3, где NG-C – интерфейс между опорной сетью и базовой станцией для трафика управления, NG-U – интерфейс между опорной сетью и базовой станцией для пользовательского трафика.

Рис. 3. Варианты автономной архитектуры 5G (Standalone)

Логическая архитектура подсистемы радиодоступа

Одной из важных тенденций в развитии современных систем связи является переход к облачным технологиям. Для их реализации в подсистеме радиодоступа требуется пересмотр ее архитектуры.

Применение IT-инфраструктуры в телеком-сетях сопровождается централизацией аппаратных средств и сетевых функций в Центрах Обработки Данных (ЦОД), в которых, казалось бы, логично было сконцентрировать также средства цифровой обработки сигналов (baseband processing) базовых станций, а на сайтах оставить только приемопередающие радиомодули, см. рис. 3. Но в этом случае для соединения радиомодулей и центров baseband-обработки даже в системах LTE требуются высокоскоростные линии связи с пропускной способностью единицы – десятки Гбит/с и задержкой не более 0,25 мс, то есть только выделенные оптические линии. А если мы заглядываем в будущее 5G, где ширина каналов составит сотни МГц, и может быть реализована технология массивного MIMO, то при традиционном разделении функций радио- и baseband-обработки скорости на интерфейсе между соответствующими модулями (далее будем говорить о разделении функций и об интерфейсах между радиосайтом и центральным сайтом) возрастут до сотен и тысяч Гбит/с [4].

Рис. 4. Облачная архитектура подсистемы радиодоступа

Таблица 1. Скорость передачи информации на интерфейсе между радиосайтом и центральным сайтом в зависимости от полосы радиоканала и числа антенных портов на базовой станции

Для того, чтобы снизить требования к интерфейсам между радиосайтом и центральным сайтом и, соответственно, стоимость реализации этих интерфейсов, необходимо часть baseband-обработки перенести на радиосайты.

В рамках 3GPP рассматриваются несколько вариантов разделения функций baseband-обработки, см. рис. 5. Обозначения на рис. 5: RRC – Radio Resource Control/ управление радиоресурсами, PDCP – Packet Data Convergence Protocol/ протокол управления пакетными данными, RLC – Radio Link Control/ управление радиосоединением, High RLC – функции RLC высокого уровня, Low RLC – функции RLC низкого уровня, MAC – Medium Access Control/ управление доступом к среде, High MAC – функции MAC высокого уровня, Low MAC – функции MAC низкого уровня, PHY – physical layer/ физический уровень, High PHY – функции обработки физического сигнала высокого уровня, Low PHY – функции обработки физического сигнала низкого уровня. Пока предполагается, что стек протоколов радиоинтерфейса 5G – такой же, как и в LTE (описание стека можно найти в [7]).

Если будет принят один из вариантов разделения функций между центральным сайтом и радиосайтом, это будет означать, что будет специфицирован еще один интерфейс в подсистеме радиодоступа 5G, и базовая станция может быть разделена на два новых сетевых элемента. Потенциально это позволит обеспечить взаимодействие между этими двумя сетевыми элементами от разных производителей.

Рис. 5. Варианты разделения функций baseband-обработки между радиосайтом и центральным сайтом

Ниже в таблице 2 приведены примерные требования к интерфейсу между радиосайтом и центральным сайтом при полосе канала 100 МГц, модуляции 256-КАМ (квадратурная амплитудная модуляция), числе пространственных уровней MIMO 8, числе антенных портов на базовой станции 32 [4].

Таблица 2. Характеристики интерфейса между радиосайтом и центральным сайтом

Для вариантов 1-3 становится возможным использование Ethernet-транспорта для подключения радиосайтов к центральному сайту (благодаря невысоким требованиям к задержке). Но при этом в вариантах 1-3 невозможно использовать общий диспетчер радиоресурсов (scheduler), то есть теряется возможность координации использования радиоресурсов между сотами для реализации функций, аналогичных мягкому хэндоверу в UMTS или CoMP в LTE. И наоборот, для вариантов 4-8 есть возможность использования общего диспетчера для всех радиосайтов, подключенных к одному центральному сайту.

Следует отметить, что вариант 8 соответствует типовому разделению функционала на базовых станциях в существующих сетях.

Радиоинтерфейс

В предыдущие годы исследователями предлагались разнообразные варианты физического уровня радиоинтерфейса 5G [5] - неортогональные и ортогональные технологии, базирующиеся на технологии OFDM (как в системе LTE).

В рамках 3GPP производилась оценка эффективности предлагаемых вариантов физического уровня [6]. На данном этапе решено для систем 5G, которые будут работать в диапазонах частот ниже 40 ГГц и поддерживать услуги широкополосного доступа (eMBB) и связи с низкими задержками (URLCC), включить в спецификации фазы 1 – релиз 15 3GPP – технологию CP-OFDM (Cyclic Prefix - Orthogonal Frequency Division Multiplexing/ортогональное частотное мультиплексирование с использованием циклического префикса) для линий вниз и вверх. Для линии вверх также есть возможность использования технологии DFT-S-OFDM (Discrete Fourier Transform – Spread – Orthogonal Frequency Division Multiplexing/ ортогональное частотное мультиплексирование с предобработкой на базе дискретного преобразования Фурье). Следует отметить, что в системе LTE также используются обе эти технологии: на линии вниз – CP-OFDM; на линии вверх – DFT-S-OFDM.

Для систем 5G в диапазонах частот выше 40 ГГц, а также для систем, поддерживающих множество одновременно подключенных IoT-устройств (mMTC), могут рассматриваться другие варианты физического уровня радиоинтерфейса в последующих релизах 3GPP.

Рассматриваемые сейчас варианты параметров OFDM для радиоинтерфейса 5G представлены в табл. 3. Еще не достигнуто финального решения по полному набору параметров, в том числе по максимальной ширине канала в системах 5G. Среди указанных групп параметров для спецификаций 5G фазы 1 рассматриваются параметры каналов, соответствующие разносам между поднесущими OFDM (subcarrier spacing) 15 – 480 кГц. А группы параметров, соответствующие разносам между поднесущими 3,75, 7,5, 960 кГц возможно будут рассматриваться для последующих фаз спецификаций 5G.

Следует отметить, что сейчас в системах LTE используется разнос между поднесущими OFDM 15 кГц, максимальная ширина несущей – 20 МГц.

Как и в системе LTE, канал 5G в частотной области формируется из ресурсных блоков, каждый из которых состоит из 12 поднесущих OFDM.

В отличие от LTE в 5G предполагается применение различных форматов физического уровня с разными разносами между поднесущими OFDM в зависимости от диапазона частот и радиуса соты. Например, в макро-сетях в диапазонах ниже 2 ГГц видится разумным использование разноса 15 кГц; в городских условиях в микро-сотах в диапазонах 2 – 6 ГГц может использоваться разнос 30 или 60 кГц; в сверхплотных сетях в диапазонах 20 – 40 ГГц – разнос 120 кГц и выше.

Таблица 3. Варианты параметров физического уровня радиоинтерфейса

Для систем 5G рассматриваются варианты использования парного и непарного спектра, а, значит, системы смогут работать с частотным и временным дуплексом. Предварительно можно подразумевать использование в диапазонах выше 6 ГГц систем только с временным дуплексом, с непарным спектром. А в системах ниже 6 ГГц могут применяться оба варианта дуплекса.

Кроме того, к рассмотрению в 3GPP предлагался, но пока не был принят, вариант «полного дуплекса» (full duplex), то есть радиоинтерфейс без разделения линий вверх и вниз ни по частоте, ни по времени. В этом случае и приемник, и передатчик базовой или абонентской станции работают одновременно на одной частоте.

Приемник осуществляет подавление помехи от собственного передатчика, благо передаваемый сигнал в этом случае известен в приемнике, и его теоретически можно «вырезать» из принимаемого сигнала. Теоретически отсутствие дуплексного разнесения может удвоить спектральную эффективность по сравнению с частотным или временным дуплексом. Однако процесс приема осложняется тем, что в сотовой сети также присутствуют недетерминированные помехи от соседних сот, может иметь место несимметричная нагрузка на линиях вверх и вниз, а также применяется технология MIMO, по своей природе создающая множественные помехи от нескольких передающих ветвей.

Для того, чтобы выделить полезный сигнал на фоне помех надо обеспечить достаточное отношение «сигнал/шум» на входе приемника в отсутствие дуплексного разделения. Исследования показали, что эффективная работа приемника достигается только при сравнительно небольшой разнице между мощностью принимаемого сигнала и мощностью передаваемого сигнала, например, только в сотах малого радиуса при мощности передаваемого сигнала не более 1 Вт.

Технология многоантенных систем (Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO) имеет большой потенциал в системах следующего поколения, в особенности для см- и мм-диапазонов частот. Поскольку размеры излучающих элементов как правило имеют порядок длины волны, то при переходе к см- и мм-диапазонам частот, количество излучающих элементов на единицу площади возрастает пропорционально квадрату рабочей частоты по сравнению с антенными системами, работающими в более низких диапазонах частот.

Рис. 5. Пример антенны мм-диапазона на печатной плате и пример формирования луча диаграммы направленности в 3-мерном пространстве

Основной вектор развития многоантенных систем – переход к схемам массивного MIMO, то есть к антенным системам с числом управляемых антенн > 8. При этом каждая «управляемая антенна» может представлять собой группу излучающих элементов.

Можно говорить о двух основных составляющих технологии массивного MIMO – адаптивное формирование луча диаграммы направленности антенны (beamforming) и многопользовательское MIMO (multi user MIMO, MU-MIMO), а также об их комбинациях.

Адаптивное формирование луча диаграммы направленности будет осуществляться не только в горизонтальной плоскости, но и одновременно в вертикальной плоскости, то есть в трехмерном пространстве, отсюда название этого режима – «3D beam forming».

Возможность формирования множества лучей диаграммы направленности антенны для разных пространственных потоков в случае массивного MIMO позволяет эффективно реализовать многопользовательские схемы MIMO. Условно говоря, для каждого из пользователей на базовой станции можно сформировать свой луч диаграммы направленности и переиспользовать одни и те же частотно-временные ресурсы радиоканала сразу для нескольких пользователей, см. рис. 6.

Рис. 6. Реализация MU-MIMO при формировании множества лучей диаграммы направленности антенны базовой станции

Потенциально в системах 5G число управляемых антенн в схемах MIMO может достигать 256 [1]. В спецификации фазы 1 войдут схемы однопользовательского MIMO (Single User MIMO) и многопользовательского MIMO c максимальным числом пространственных уровней не менее 8 на линии вниз и с максимальным числом пространственных уровней не менее 4 на линии вверх [6]. Таким образом, максимальное число управляемых антенных групп на базовой станции будет не менее 8, а на абонентской станции максимальное число управляемых антенных групп будет не менее 4.

Диапазоны частот

Как правило системы каждого нового поколения сотовой связи появляются сначала в новых диапазонах частот, а потом в существующих диапазонах взамен систем устаревших технологий.

Для обеспечения высокоскоростной связи (~ Гбит/с) в первую очередь требуются широкие частотные каналы (~ сотни МГц), такие участки спектра доступны только в см- и мм-диапазонах частот, > 3 ГГц. Стоит задача обеспечить работу систем нового поколения в диапазонах частот до 100 ГГц [1].

Чтобы технология мобильной связи была успешной с экономической точки зрения, она должна быть глобальной – производство и выпуск оборудования становится массовым, цена оборудования снижается. Только в этом случае достигается "экономия масштабов". Одно из условий на этом пути – глобальная или региональная гармонизация частотных присвоений для систем нового поколения, и, как следствие, унификация аппаратных средств для глобального рынка.

Глобальным и региональным регулированием использования частного спектра занимается Международный Союз Электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), а решение о распределении частот принимается на Всемирных Радиоконференциях (World Radio Conference, WRC). На последней Радиоконференции, WRC-15, в 2015 г. было принято решение по глобальной гармонизации диапазона 3,4 – 3,6 ГГц для мобильной связи, а потенциально и для систем 5G. Однако для сверхскоростных сервисов 5G этого спектра будет недостаточно, нужен новый спектр в диапазонах > 6 ГГц. Следующая Всемирная Радиоконференция состоится в 2019 г., на ней планируется распределить ряд новых диапазонов частот > 6 ГГц для мобильной связи.

Однако сложилась ситуация, когда имеется потребность вывода систем 5G в 2017 – 2018 гг. , но отсутствуют глобально гармонизированные диапазоны частот. Мы увидим внедрение этих систем в диапазонах, выделенных для этих целей на национальном уровне.

В таблице 4 приведены диапазоны частот, рассматриваемые в качестве кандидатных для внедрения систем 5G в различных странах и регионах.

Таблица 4. Кандидатные диапазоны частот для внедрения систем 5G

В ряде стран для первоначального запуска сетей 5G в 2017 – 2018 гг. планируется использование диапазона 28 ГГц. В какой-то мере можно сказать, что этот диапазон гармонизирован для сетей 5G фазы 1.

Заключение

Да, еще не полностью определены все характеристики систем 5G, но системы нового поколения обретают определенные черты – формируется стандарт. Понятно в каких диапазонах частот будут работать первые сети 5G. Исследователи и производители сосредоточены на разработке практических решений, которые будут реализованы уже в ближайшем будущем – формируется экосистема производителей.

Будем ожидать появления этого нового «дитя», которое рождается в муках - в жарких дебатах на полях стандартизации. Но как, минимум, это – не «первый блин», который - «комом», а уже ПЯТОЕ поколение сотовой связи.

Литература

1. 3GPP TR 38.913 V14.0.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies (Release 14)

2. RAN 5G Workshop - The Start of Something. http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1734-ran_5g

3. Verizon wants to develop standards for 5G, signs deal with KT to speed up commercialization. http://www.phonearena.com/news/Verizon-wants-to-develop-standards-for-5G-signs-deal-with-KT-to-speed-up-commercialization_id82611

4. 3GPP TR 38.801 V1.0.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on New Radio Access Technology; Radio Access Architecture and Interfaces (Release 14)

5. Qualcomm. 5G Waveform & Multiple Access Techniques. November, 2015. https://www.qualcomm.com/documents/5g-research-waveform-and-multiple-access-techniques

6. 3GPP TR 38.802 V1.0.0 (2016-11) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on New Radio (NR) Access Technology Physical Layer Aspects (Release 14)

7. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold. 4G: LTE, LTE-Advanced for Mobile Broadband. – Oxford, UK, Elsevier Ltd, 2011

+ +

теги: "пятое поколение"