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.