СОТОВЫЕ СЕТИ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ: ПРЕДПОСЫЛКИ И ОСОБЕННОСТИ

АННОТАЦИЯ

Изучены предпосылки возникновения пятого поколения сетей, а также их отличительные особенности.

ABSTRACT

The conditions for the emergence of fifth-generation networks, as well as their distinctive features, are studied.

Ключевые слова: 5G, пятое поколение, сотовые сети, мобильная связь, интернет вещей, инфокоммуникационные технологии.

Keywords: 5G, cellular networks, fifth generation, mobile communications, Internet of things, information and communication technologies.

Причины возникновения 5G

Интернет вещей (IoT – Internet of Things) – сеть, объединяющая физические предметы, оснащённые встроенными технологиями взаимодействия внутри сети как между собой М2М (Machine to Machine), так и с пользователем. Ярким представителем интернета вещей являются всевозможные датчики и сенсоры, имеющиеся в системах «умного» дома (в быту), вычислительной технике, устройствах контроля (промышленность). Автомобили с функцией автопилота также имеют на борту сенсоры, собирающие информацию об окружении автомобиля.

С каждым годом количество «умных» сенсоров увеличивается. По состоянию на 2018 год аналитиками подсчитано, что количество устройств интернета вещей составляет около 22 млрд штук, а по прогнозам к 2025 году это число увеличится до 38,6 млрд устройств. На данный момент производится около 500 Збайт информации, требующей быстрой отправки и обработки.

Стремительное развитие интернета вещей способствует появлению «умных» городов, «умных» производств, повышению комфорта жителей и цифровизации городов.

Правильная работоспособность устройств IoT во многом зависит от конфигураций сети, которая должна обеспечивать стабильность, безопасность и высокую скорость работы с устройствами. В настоящее время использующийся в 4G метод спектрального уплотнения не позволяет достаточно эффективно использовать предоставленное частотное пространство.

Именно по этой причине появилась потребность в разработке новых технологий и новых методов работы сетевых коммуникаций.

Технические решения и возможности 5G

С 2008 года 5G – пятое поколение технологии сотовой связи, обширное развертывание которого началось в 2019 году. Пятое поколение является более улучшенной версией четвертого поколения не столько из-за новых аппаратных решений, сколько из-за продвинутого программного обеспечения.

Одним из отличий пятого поколения является использование двух диапазонов частот, классифицируемых консорциумом 3GPP как NR (New Radio): FR1 (Frequency Range 1) (600 – 6000 МГц) [1] – метровые и дециметровые волны, а также FR2 (>24 ГГц) – миллиметровые волны.

Максимальная ширина полосы пропускания в диапазоне FR1 составляет 200 МГц. Ограниченность ширины обусловлена загруженностью данного диапазона, т.к. в нем работает множество устройств связи в том числе Wi-Fi (5 ГГц) и устройства прошлых поколений. Поэтому 5G системы зачастую работают на частотах 3.3 – 4.2 ГГц. Из-за особенностей распространения радиоволн метровой и дециметровой длины (относительно хорошая дальность распространения и проникающая способность) возможно увеличение зоны покрытия без особых материальных вложений, т.к. для установки оборудования возможно будет использовать уже существующие вышки связи. FR1 будет востребован преимущественно среди устройств IoT, включающих беспилотные автомобили, системы «умного» города, «умного» дома.  Данные устройства не требовательны к пропускной способности, но крайне зависимы от стабильности и надежности предоставляемой сети. В России на данный момент проводятся обсуждения о выделении дополнительных частот операторам связи в данном диапазоне.

Больший интерес в плане скорости передачи представляет второй диапазон частот FR2. Известный факт – чем выше частота, тем короче длина волны, тем выше затухания при взаимодействии с окружением. Дальность связи ограничена прямой видимостью и погодными условиями. Использование диапазона миллиметровых волн позволяет увеличить ширину полосы частот, благодаря чему увеличится пиковая скорость передачи данных. Данную особенность решили использовать в сетях пятого поколения. Результатом проведенных испытаний стала скорость передачи данных, достигающая 20 Гбит/с. Стоит учесть, что данная скорость достигнута при идеальных условиях внутри сети. Благодаря ширине спектра и ряду дополнительных мер данный диапазон будет способен поддерживать огромное количество устройств в пределах своей зоны покрытия.

FR2 куда более сильно подвержен затуханиям, чем FR1. Обусловлена это особенностью миллиметровых волн. Решением данной проблемы стала разработка ячеек связи (сот) различных зон покрытия, рассчитанных для распространения связи в пределах одного здания (фемтосота), общественного места (пикосота), городского района (микросота) и дополнительных районов для обеспечения дополнительной емкости сети (метросота). Предполагается, что оборудование фемто и пикосот будет устанавливаться на деревьях, уличных столбах освещения и т.п.

Увеличение полосы пропускания и частоты волн хоть и является ключевой особенностью технологий пятого поколения, но не является единственным.

Одним из решений, используемых в системах 5G является Massive MIMO (Multiply Input Multiply Output) [2, с.46]. Простой пример: сигнал от базовой станции посылается в сторону абонента. Прежде чем попасть в приемное устройство, на пути распространения сигнал отразился от нескольких препятствий. В итоге: в приемное устройство вместо одного сигнала поступает сумма из нескольких сигналов с разной задержкой. Таким образом, полученный сигнал может отличаться от исходного в зависимости от степени разности задержки приходящих сигналов. Данный эффект был назван межсимвольная интерференция.

В предыдущих поколениях такая особенность распространения приносила только неудобства и заставляла инженеров заниматься разработкой способов восстановления исходного кода и защиты от ошибочных приемов. В пятом поколении неудобство обернули в преимущество. Система Massive MIMO представляет из себя устройство с несколькими приемными и несколькими передающими антеннами (количество антенных элементов может составлять 128, 256 и более штук [3, с.76]). Благодаря этому, при обработке принятых сигналов система понимает, откуда и каким путем пришел сигнал и при передаче пакетов данных абоненту она отправляет разные пакеты разными путями и тем самым обеспечивает многопотоковость передачи. Таким образом, обеспечивается большая полоса пропускания и уменьшается влияние межсимвольной интерференции на качество связи.

Для уменьшения нагрузки на центральный дата-сервер разработана система Edge Computing (Граничные Вычисления). Суть его заключается в децентрализованной обработке поступающих данных. Сбор и анализ данных сенсоров производится непосредственно в месте генерации тех самых данных, что позволяет значительно сократить время от момента передачи информации от сенсора до момента приема информации сенсором.

Следующим решением в сетях пятого поколения стало использование систем Beamforming, основанных на фазированных антенных решетках. Данная система дает возможность выборочно изменять направление излучения радиоволн, тем самым позволяя направить луч в сторону абонента с менее качественным приемом сигнала. Такие антенные решетки широко используются в радиолокации, но теперь нашли применение и в гражданской телекоммуникации.

NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) – новая технология беспроводных сетей. Дословно технология переводится как неортогональный множественный доступ. Что же это значит? Допустим, к базовой станции (БС) подключены два абонента с разным уровнем сигнала: абонент 1 имеет сильный сигнал (Strong User), абонент 2 – слабый (Weak User). Чтобы сигнал от БС дошёл до слабого абонента, под него выделяют большую мощность в сравнении с сильным абонентом. Особенностью технологии является то, что сигнал не имеет частотного или временного разделения каналов для разных абонентов. В данном случае для обоих абонентов БС формирует сигнал на одной частоте в одном временном интервале. С помощью системы последовательного подавления помех (SIC) сильный абонент из принятого сигнала вычитает сигнал слабого, тем самым получая свой пакет данных. В это время слабый абонент воспринимает сигнал сильного как шум и просто выделяет принятого сигнала свой.

Преимущество системы NOMA является великолепное спектральное уплотнение, позволяющее крайне эффективно использовать предоставленный частотный диапазон. Благодаря чему на одной частоте могут работать одновременно несколько абонентов. Также уменьшается задержка сети, т.к. абоненту не нужно ожидать своего временного интервала для принятия пакета. Также очевидным плюсом NOMA можно назвать индивидуальный подход к каждому абоненту на основе его уровня сигнала, что позволит повысить качество связи для труднодоступных абонентов.

Предоставляемые услуги

Предоставляемые операторами услуги делятся на три категории:

• сверхширокополосная мобильная связь (enhanced Mobile Broadband, eMBB),
• сверхнадежная межмашинная связь с низкими задержками (Ultra-Reliable Low Latency Communication, URLLC),
• массовая межмашинная связь (Massive Machine-Type Communications, mMTC).

Сверхширокополосная мобильная связь предполагает высокую пропускную способность, позволяющую передавать огромные пакеты данных за короткий промежуток времени, а также огромное количество одновременно работающих абонентов. Это позволит развивать технологии, использующие облачные хранилища, облачный стриминг, услуги AR/VR, мультимедийные услуги и пр.

Сверхнадежная машинная связь с низкими задержками востребована в производственной отрасли (удаленное управление производством), отраслях реагирования (оповещения о стихийных бедствиях, ДТП и пр.). Данная услуга обеспечит задержку сигнала менее 1 мс, что позволит вовремя реагировать на изменения и производить нужные действия.

Массовая машинная связь – взаимодействие устройств интернета вещей, которая была описана в начале.

Перспективы развития

В настоящее время обеспечение городов новой технологией идёт полным ходом. Согласно исследованию от 02.02.2020 услугами 5G пользуется 34 страны мира (378 городов), среди которых лидирующие позиции занимает Южная Корея, обогнав Китай и США.

В России пятое поколение не получило должного распространения в связи с неготовностью операторов и правительства к переходу на новые технологии, влекущие некоторые расходы на покупку подходящего оборудования. Также, в данный момент ведутся переговоры на выдачу диапазонов частот операторам под 5G, что тоже тормозит процесс. Начало полноценного развитие пятого поколения на территории РФ рассматривается к 2024 году.

Вывод

Технология 5G является закономерным продолжением предыдущих поколений связи. Стремительное техническое развитие подталкивает инженеров к разработке новых методов и способов передачи данных, которые были использованы в устройствах 5G. На данный момент, сеть позволяет достигать до 20 Гбит/с для коммерческих и промышленных отраслей и до 100 Мбит/с для частных абонентов. Также достигнута задержка сигнала менее 4 мс и увеличена эффективность использования выделенных частот.

Технология ещё не достигла своего максимума, поэтому в дальнейшей перспективе стоит ожидать ещё больше развитие коммуникаций.

Список литературы:

1. ETSI, 3GPP. ETSI TS 138 101-1 V15.9.0. – 2020. – [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138100_138199/13810101/15.09.00_60/ts_13810101v150900p.pdf
2. Степанец И., Фокин Г. Особенности реализации Massive MIMO в сетях 5G // Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). – 2018. – №1. – C. 46.
3. Слюсар В. И. Развитие схемотехники ЦАР: некоторые итоги. Часть 2.// Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). – 2018. – №2. – C. 76.