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
16.04. Минцифры представило проект приказа с требованиями к БС O-RAN
16.04. МТС в Новосибирской области - связь улучшена в Ленинском районе
15.04. Билайн увеличил пропускную способность для российских видеосервисов
15.04. Rubetek расширяет производственные мощности в Орле
15.04. МТС в Забайкальском крае - покрытие LTE обеспечено базовой станцией в селе Конкино
15.04. Начало тренда - американский стартап Orbital намерен создать в космосе сеть ИИ-дата-центров
15.04. Amazon объявила о покупке Globalstar – чего можем ждать с учетом этой сделки
15.04. МТС в Томской области - зона покрытия LTE расширена новыми базовыми станциями в пригороде Томска
14.04. Разработчик офисного ПО «Мойофис» нарастил чистый убыток с 1.2 млрд до 4 млрд
14.04. Выход годных по техпроцессу 2нм у Samsung остается на уровне не выше 55%
14.04. Intel выпустила тонкий чиплет с транзисторами из нитрида галлия (GaN)
14.04. Микрон и Ангстрем объединят усилия в подготовке инженерных кадров
14.04. МегаФон в Смоленской области - покрытие LTE расширено дополнительным оборудованием на трассе М-1
16.04. Vivo T5 Pro – 9020 мАч, 90 Вт, IP69 и Snapdragon 7s Gen 4 от 29 999 рупий
16.04. Oppo F33 и F33 Pro – ребрендинг с AMOLED, 7000 мАч и IP69K
16.04. Poco C81 Pro получи 6.9" дислеей 120 Гц, АКБ 6000 мАч и Unisoc T7250
15.04. Motorola Razr 70 Ultra получит Snapdragon 8 Elite и батарею на 6% больше
15.04. Tecno Spark 50 4G – Helio G81, 7000 мАч и связь без сети за 1.5 км
15.04. T1 Phone от Trump Mobile – $499 за AMOLED 120 Гц и Snapdragon 7
14.04. Redmi A7 Pro 5G – HyperOS 3, Unisoc T8300 и 6300 мАч за 11 499 рупий
14.04. Oppo Pad Mini с 8.8-дюймовым OLED-экраном 144 Гц и Snapdragon 8 Gen 5 представят 21 апреля
14.04. Rollme G9 – умные часы с офлайн-картами, двухдиапазонным GNSS и весом 32 грамма
13.04. Realme Narzo 100 Lite 5G – 7000 мАч "Titan Battery", 144 Гц и Dimensity 6300 за 13 000 рупий
13.04. CMF Phone 3 Pro получит Snapdragon 7s Gen 4 и металлическую рамку
13.04. Анонс Huawei Pura 90 Pro ожидается 20 апреля
10.04. Realme C100 4G – в000 мАч, IP69K и Helio G92 Max за 292 доллара
10.04. AI+ Nova 2 и Nova 2 Ultra – два подхода к бюджетному сегменту в Индии
10.04. Oppo A6s Pro – OLED, 7000 мАч, 80 Вт и Dimensity 6300
09.04. Moto Pad 2026 – 2.5K-экран, 5G и четыре динамика за 250 долларов
09.04. Motorola Moto G Stylus (2026) – стилус с наклоном, защита IP69 и AMOLED за 500 долларов
08.04. Oppo A6k с АКБ 7000 мАч, экраном 120 Гц и Dimensity 6300 оценен 290 долларов
08.04.
Tecno наконец раскрыла график обновления до Android 16 — с опозданием на поколение
08.04. Представлен Realme C100 5G с АКБ 7000 мАч, 144 Гц экраном и Dimensity 6300 за 215 долларов