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:

• снижения объема передаваемой служебной информации, например, уменьшения доли пилот-сигналов;
• более эффективных методов подавления и компенсации помех от соседних сот, например, путем переключения между пространственными лучами или комбинирования сигналов разных лучей, включая лучи разных сот;
• более эффективного использования частотных ресурсов при снижении доли защитных полос на несущей;
• более эффективного использования временных ресурсов в системах с временным дуплексом за счет динамического переключения между линиями вверх и вниз в зависимости от профиля трафика.

Будем ожидать первых запусков сетей 5G, тестирования уже стандартизированных решений и проверки результатов многолетних исследований огромных индустриальных институтов.

Литература

1. First 5G NR Specs Approved. http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1929-nsa_nr_5g
2. Варукина Лидия, В новый 2017 год – с новым стандартом 5G. Обзор технологии и статус стандартизации, январь 2017. http://www.mforum.ru/news/article/117626.htm
3. eCPRI Specification V1.0 (2017-08-22). http://www.cpri.info/downloads/eCPRI_v_1_0_2017_08_22.pdf
4. 3GPP TR 38.211 V2.0.0 (2017-12) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Physical channels and modulation (Release 15)
5. 3GPP TR 38.214 V2.0.0 (2017-12) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Physical layer procedures for data (Release 15)
6. 3GPP TR 38.104 V2.0.0 (2017-12) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception (Release 15)

+

Подписывайтесь на Telegram-канал, посвященный телекому и ИТ

теги: пятое поколение

+ +