5g nr что это
Название 5G New Radio может использоваться как общий описательный термин для обозначения технологии связи 5G аналогично применяемому в индустрии термину LTE для технологий 4G или Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) для 3G. Окончательные характеристики стандарта для 5G NR определены спецификациями Консорциума разработчиков спецификации для мобильной телефонии 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project). Полные спецификации Release 15 (с автономными характеристиками) были приняты в июне 2018 года. В рамках этой версии стандарта обеспечено применение пользовательского и инфраструктурного оборудования 5G NR с базовыми станциями поколения 5G (5G next-generation core network, NGC). Однако это только лишь начало. Для того чтобы в полном объеме и детально охватить всю техническую функциональность автономного доступа (Standalone, SA) для устройств 5G NR, развитие стандарта будет продолжаться.
Структура сигналов 5G NR
CP-OFDM как решение для нисходящего и восходящего канала связи
Для начала расставим все точки над «i»: восходящим каналом называется канал или линия передачи от пользователя к базовой станции, а нисходящим — от базовой станции к пользователю. Эти каналы, а именно используемые для них виды или подвиды модуляции, могут быть одинаковыми или различными, что направлено в первую очередь на повышение плотности каналов и на эффективность связи. Под последним определением мы понимаем и энергоэффективность, и уменьшение числа битовых ошибок.
В последние годы исследователи, работающие в области беспроводной связи, изучали различные формы сигналов с несколькими несущими, предлагая множество вариантов для радиодоступа 5G. Так, сигналы, которые используют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), хорошо подходят для дуплексной работы с временным разделением. Они поддерживают приложения, чувствительные к задержкам, и уже продемонстрировали успешную коммерческую реализацию с эффективной обработкой сигналов со все более широкой полосой пропускания. Кроме того, высокая спектральная эффективность и совместимость сигналов OFDM с MIMO (Multiple Input Multiple Output — множественные входы, множественные выходы) помогают удовлетворить потребности этого нового глобального стандарта сотовой связи в части экстремальных скоростей передачи данных и плотности каналов.
Благодаря методам оценки и выравнивания сигнальных каналов сигналы OFDM демонстрируют высокую устойчивость в частотно-избирательных радиоканалах. Однако, как правило, в канале присутствует временная дисперсия: части передаваемого сигнала принимаются с различными задержками из-за многолучевости распространения и отражений. В итоге ортогональность выборочно теряется, появляется интерференция как между битами внутри символа, так и между символами. Для предотвращения перекрытия в начало OFDM-символа вставляется циклический префикс, содержащий конечные биты предыдущего символа. Прикрепив копию конца символа OFDM к началу символа (это и есть циклический префикс), приемник может лучше обрабатывать ошибки синхронизации и предотвращать межсимвольные помехи (рис. 1). Более подробно об этом написано в [2, 7].
Рис. 1. Символ CP-OFDM содержит циклический префикс на каждой стороне данных. Примечание. БПФ — быстрое преобразование Фурье.
Таким образом, в качестве структуры сигнала для нисходящего и восходящего канала связи 5G в схемах квадратурной модуляции до 256-QAM консорциум 3GPP использует именно OFDM с циклическим префиксом — CP-OFDM.
DFT-S-OFDM как решение с более высокой эффективностью для восходящего канала связи
Сигналы OFDM обладают одной отрицательной чертой — высоким значением отношения пикового уровня мощности сигнала к среднему уровню (peak-to-average power ratios, PAPR). Поскольку усилитель мощности высокой частоты (УМ) в мобильном устройстве потребляет наибольшее количество энергии, разработчики системы хотели бы получить структуру сигнала, поддерживающую высокоэффективный режим работы УМ-передатчика при одновременном удовлетворении спектральных требований 5G. Для восходящего канала связи (а это линия от пользователя к базовой станции) технология 5G NR предлагает пользовательскому оборудованию (User Equipment, UE — буквально «пользовательское оборудование», подразумевает не только мобильные, но и стационарные устройства) возможность использования CP-OFDM-модуляции или формы сигнала гибридного формата, называемого OFDM с дискретным преобразованием Фурье (Fourier transform spread OFDM, DFT-S-OFDM). Используя технологию DFT-S-OFDM, передатчик модулирует все поднесущие одинаковыми данными (рис. 2). Это снижает отношение пикового значения к среднему, сохраняя устойчивость к эффектам многолучевости, и обеспечивает гибкое распределение частот поднесущей OFDM. В тех случаях, когда PAPR с CP-OFDM может составлять 11–13 дБ, для решения на основе DFT-S-OFDM потребление варьируется в пределах 6–9 дБ.
Рис. 2. Сравнение временной и частотной диаграмм технологий:
а) OFDM;
б) DFT-S-OFDM
Гибкое расположение поднесущих и фреймовая структура
Работа в нескольких полосах частот — от уже существующих полос сотовой связи, лежащих ниже частоты 3 ГГц, до более широких полос в области 3–5 ГГц и до диапазона миллиметровых волн — является новым аспектом 5G NR. На рис. 3 показаны выделенные на настоящий момент полосы частот, предназначенные для работы NR выше частоты 6 ГГц.
Рис. 3. Полосы частот 5G NR, выделенные выше частоты 6 ГГц
При увеличении частоты несущей растет не только число обслуживаемых каналов и скорость передачи данных [3], но и фазовый шум системы. Например, разница в фазовом шуме между несущими на частотах 1 и 28 ГГц составляет около 20 дБ. Для приемника миллиметровых волн с узким фиксированным разнесением поднесущих (subcarrier spacing, SCS) и длительностью символа, принятого для LTE, такое увеличение затрудняет демодуляцию сигнала OFDM. Кроме того, у перемещающихся пользователей, из-за доплеровского сдвига, временной параметр по когерентности канала по мере повышения несущей частоты уменьшается, а это означает, что у системы на более высоких несущих частотах меньше времени для измерения канала и завершения передачи в одном слоте. Использование узкого расстояния между поднесущими в миллиметровом диапазоне приводит к недопустимо большому значению вектора ошибок со значительным ухудшением производительности. Поэтому здесь, в отличие от систем LTE, используют переменный коэффициент разнесения поднесущих или так называемую масштабируемую нумерологию (scalable numerology).
Итак, чтобы избежать вышеописанной ситуации, в технологии 5G NR, в отличие от сетей LTE, где предусмотрено единое спектральное распределение поднесущих, применяются OFDM-сигналы с поднесущими с варьируемым разнесением — 15 (соответствует сетям LTE), 30, 60, 120 и 240 кГц [7]. Использование в технологии сотовой связи масштабируемой нумерологии открывает широкие возможности для гибкой настройки сети при предоставлении тех или иных услуг, например для приложений, критичных к уровню задержек (Ultra-Reliable Low-Latency Communications, URLCC — предоставление высоконадежного соединения с очень низкой задержкой передачи данных). Здесь уместно использовать поднесущие с широким спектром при меньшей длительности символа, и наоборот, при передаче трафика для широкополосного доступа в Интернет и низкоскоростного трафика «Интернета вещей» — использовать «узкие» спектральные модели поднесущих.
Для решения описанных выше проблем консорциум разработчиков спецификации для мобильной телефонии 3GPP стандартизировал переменный коэффициент разнесения поднесущих, который варьирует зазор в спектре между ортогональными поднесущими, начиная с интервала 15 кГц, предназначенного для LTE, и заканчивая интервалом 30, 60 или 120 кГц для диапазона миллиметровых волн. Применение нумерологии LTE гарантирует, что развертывание 5G NR будет мирно сосуществовать и согласовываться по временным форматам с сетями LTE.
Фреймовая структура 5G NR
В 5G NR для передачи данных используется фреймовая структура, описанная в [7]:
- в 5G NR передача данных в восходящем (Uplink) и нисходящем (Downlink) направлениях организуется на основе фреймов длительностью Tf = 10 мс;
- каждый фрейм делится на 10 субфреймов, длительностью Tsf = 1 мс каждый;
- также каждый субфрейм делится на два полуфрейма (half-frame 0 и half-frame 1);
- каждый субфрейм делится на слоты (slot); количество слотов определяется шириной спектра поднесущей (или нумерологией) и составляет 1, 2, 4, 8 или 16 слотов (в отличие от сетей LTE-FDD, где используется единая структура с двумя слотами на каждый субфрейм).
Для увеличения пропускной способности и эффективности эксплуатации спектра технология 5G NR предусматривает распределенные и некоррелированные пространственные местоположения нескольких пользователей. Такая технология первоначально предназначалась для Wi-Fi и по сей день применяется в нем. Маршрутизатор обменивается данными с различными устройствами по очередности (то есть в определенный промежуток времени данные могут приниматься или передаваться только на одно устройство). Технология, получившая название MU-MIMO (от Multi-User, Multi-In Multi-Out — многопользовательская технология с несколькими входами и выходами), предполагает одновременный обмен данными сразу с несколькими различными устройствами через расположенные особым образом передающие N-антенны и принимающие M-антенны. Используя эту многопользовательскую технологию применительно к рассматриваемой технологии 5G NR, базовая станция (gNB) одновременно отправляет потоки данных разным клиентам, обеспечивая максимально достижимый уровень сигнала в местоположении выбранного пользователя и одновременно уменьшая уровень сигнала (создавая нули) в направлениях других приемников. Это позволяет gNB взаимодействовать с несколькими пользователями (UE) независимо и одновременно (рис. 4) — подробно о реализации данной технологии и проверке ее эффективности в реальных условиях в [3, 4].
Рис. 4. Пространственное мультиплексирование с использованием технологии MU-MIMO
mMIMO для 5G
Технология, получившая название Massive MIMO (mMIMO), относится к сценарию связи, когда число пользовательских терминалов намного меньше, чем количество антенн базовой станции. Большая разница между антеннами gNB и UE может дать огромный выигрыш в спектральной эффективности, позволяя системе связи одновременно обслуживать гораздо больше устройств в той же полосе частот, чем современные системы 4G (рис. 5).
Рис. 5. Пространственное мультиплексирование с mMIMO увеличивает емкость gNB
Лидеры отрасли продемонстрировали жизнеспособность систем mMIMO для 5G с помощью программно-определяемой радиосвязи и гибкого ПО, которое обеспечивает быстрое создание прототипов беспроводной системы [5].
Миллиметровые волны для 5G
Системы 5G, работающие на частотах 28 ГГц или в других диапазонах миллиметровых волн, обладают преимуществом в части более доступного спектра, что позволяет задействовать большее число каналов. Преимущество этого диапазона в том, что его спектр менее загружен, чем спектр на частотах ниже 6 ГГц. Но системы связи, использующие диапазон миллиметровых волн, будут сталкиваться с целым рядом разных эффектов, вызванных особенностями их распространения. Здесь имеют место и более высокие потери в свободном пространстве, и атмосферное затухание, и слабое проникновение в помещение, и недостаточная дифракция от окружающих объектов. Чтобы преодолеть эти нежелательные эффекты, антенные решетки миллиметрового диапазона [3, 4] фокусируют свои лучи и таким образом используют дополнительное усиление. К счастью, с увеличением частоты размер таких решеток уменьшается, что позволяет многоэлементным антеннам данного диапазона иметь примерно такой же размер, что и у одного элемента на частотах менее 6 ГГц (рис. 6).
Рис. 6. Антенная решетка из 64 элементов для частоты 30 ГГц имеет такую же апертуру, что и одиночная полосковая (патч-антенна) для частоты 3 ГГц
Как уже отмечалось, на частотах миллиметровых волн период когерентности канала значительно уменьшается, что накладывает жесткие ограничения на подвижные мобильные приложения. Поскольку специалисты продолжают исследовать новые способы улучшения мобильности в миллиметровом диапазоне, первые развертывания 5G на этих частотах, вероятнее всего, будут обслуживать приложения фиксированного беспроводного доступа, такие как домашний широкополосный доступ, транзитное соединение и прямое соединение между абонентскими устройствами, в обход маршрутизатора. Тем не менее, как указано в [3], качество и надежность непосредственно самой передачи в сети 5G на миллиметровых волнах были продемонстрированы в мобильной сети в тестовых системах во время Олимпийских игр в Сеуле и на скоростях выше 200 км/ч на гоночной трассе, поэтому структура кадра 5G признана пригодной для переключений в условиях даже экстремального доплеровского сдвига. Текущие усилия 3GPP связаны с требованиями к скорости передачи данных до 10–20 Гбит/с и поддержкой высокой мобильности до 500 км/ч (cегодня нумерология Release 15 поддерживает скорости до 100 км/ч, в то время как более высокие значения, соответствующие требованиям к использованию eMBB, будут указаны в Release 16) .
Частичное использование полосы
По мере роста числа приложений 5G разнообразные устройства и оборудование должны будут успешно работать во многих диапазонах с различной доступностью спектра. Одним из примеров является ситуация, когда оборудование пользователя с ограниченной полосой радиочастот функционирует рядом с более мощным устройством, способным заполнить весь канал, используя агрегацию несущих, и третьим устройством, которое может одним каналом данных занять весь радиочастотный канал [6].
Хотя широкая полоса пропускания обеспечивает более высокую скорость передачи данных для пользователей, она сопряжена с определенными затратами. Если для оборудования пользователя не требуется высокая скорость передачи данных, то применение более широкой полосы пропускания, чем требуется, становится неэффективным расходованием ресурсов обработки как сигнала на несущей, так и после его переноса в модуляционную область частот.
Для того чтобы избежать указанной неэффективности, технология 5G NR представляет концепцию частичного использования полосы канала BWP (BWP, bandwidth parts — часть полосы пропускания). В соответствии с этой концепцией сеть согласовывает для определенного оборудования (или пользователя) возможность занять выделенную широкополосную несущую, отдельно конфигурируя другое оборудование на использование сокращенной выборки смежных ресурсных блоков. Это позволяет многочисленным устройствам с различными возможностями использовать одну и ту же широкополосную несущую. Такая гибкая работа сети, учитывающая различные требования к радиоресурсу и возможности оборудования пользователя, невозможна в LTE.
Заключение
Благодаря каналам с более широкой полосой пропускания и варьируемому разнесению поднесущих, системы 5G NR будут успешно работать как на частотах менее 6 ГГц, так и в выделенных диапазонах миллиметровых волн, с учетом разброса задержек при многолучевом распространении, различного временного условия по когерентности канала и фазового шума. Для того чтобы повысить спектральную эффективность и обеспечить лучшее качество обслуживания для большего числа пользователей, 5G NR на данный момент уже задействует последние разработки в области mMIMO и формирования луча диаграммы направленности [3, 4]. Хотя создание следующего поколения устройств 5G NR сопряжено с серьезными проблемами при проектировании и тестировании, основанный на общей платформе подход к разработке, созданию прототипа и тестированию этих новых беспроводных технологий является ключом к тому, чтобы 5G NR стала реальностью в течение уже следующего десятилетия.
После того, как был принят первый стандарт 5G New Radio (5G NR), фокус внимания инженеров-разработчиков новых продуктов в области беспроводной связи прогнозируемо сместился от этапа исследования к интенсивной разработке новых продуктов, которые смогут обеспечить более высокие скорости передачи данных, более короткое время задержки, а также большую энергоэффективность по сравнению с используемыми ныне технологиями 4G. На этом пути они неизбежно столкнутся с рядом технических проблем при проектировании архитектуры физического уровня, которая должна справляться с более сложной многопользовательской средой и использованием каналов на более высоких частотах.
Понимание того, как требования, а также новые технологии, относящиеся к стандарту 5G, отличаются от прошлого, четвертого поколения мобильной связи (LTE), может помочь инженерам-разработчикам подготовиться к работе с новыми архитектурами.
Новый дизайн архитектуры и алгоритмов для 5G NR
Ощутимый рост показателя скорости широкополосного доступа в сетях 5G будет в основном обеспечиваться за счет применения технологии Massive MIMO (данная технология подразумевает использование многоэлементных цифровых антенных решеток, с количеством антенных элементов 128, 256 и более) при передаче данных в более высоком миллиметровом диапазоне волн (известен как mmWave, который соответствует частотам от 30 ГГц до 300 ГГц), а также новыми радио-алгоритмами, которые позволят более эффективно использовать имеющийся частотный ресурс. Новый дизайн архитектур и алгоритмов окажет существенное влияние на все составные части новых 5G-систем, от антенн и радиочастотных составных элементов передающего оборудования до алгоритмов обработки исходного сигнала (baseband). Производительность этих подсистем настолько тесно связана, что их необходимо разрабатывать и оценивать вместе.
Новые разработки 5G в новом миллиметровом диапазоне волн также потребуют использование антенных решеток Massive MIMO с сотнями антенных элементов на базовых станциях сети (eNodeB). Наличие множества антенных элементов, компактно размещаемых в пределах относительно небольшого пространства, является чрезвычайно важным фактором, оказывающим существенное влияние на достижение высокой эффективности применения технологии формирования адаптивной диаграммы направленности для частот mmWave. Так как от рабочей длины волны напрямую зависит допустимый размер излучающих элементов, то размер новых антенных элементов может оказаться до 100 раз меньше, чем применяемые сейчас в современных антенных решетках для сверхвысоких частот. Высоконаправленные лучи позволяют также минимизировать потери при передаче сигнала, так как фокусировка мощности передачи сигнала осуществляется в определенном направлении. Поведенческое (функциональное) моделирование радиочастотных и цифровых элементов систем Massive MIMO может значительно ускорить разработку и оптимизацию адаптивной диаграммы направленности.
Рисунок 1. Новый дизайн архитектур и алгоритмов окажет существенное влияние на все составные части 5G-систем, от антенн и радиочастотных составных элементов передающего оборудования до алгоритмов обработки исходного сигнала (baseband). Производительность этих подсистем настолько тесно связана, что их необходимо разрабатывать и оценивать вместе.
Поведенческое (функциональное) моделирование для Massive MIMO
Достижение оптимального дизайна современных беспроводных систем требует использование комбинированных моделей антенных решеток и алгоритмов формирования адаптивной диаграммы направленности для моделирования их взаимодействия, а также определения степени воздействия на производительность всей системы в целом. Это может оказаться непосильной задачей для ныне используемого инструментария для проектирования 3G- и 4G-решений, в которых, обычно, функциональные возможности для дизайна антенны отделены от разработки архитектуры системы и алгоритмов формирования диаграммы направленности. Также, в большинстве случаев, время симуляции MIMO длится в десятки раз дольше, чем симуляция 3G и 4G.
Моделирование антенной решетки на поведенческом уровне позволит решить эти проблемы и будет тем эффективней, чем больше 5G-симуляций будет проведено. Моделирование на уровне поведения существенно уменьшает время симуляции. Это позволяет инженерам экспериментировать с различными архитектурами антенных решеток и алгоритмами, имитировать производительность этих антенных решеток и связанных с ними алгоритмов, а также итерационно корректировать параметры для уменьшения негативного эффекта от пересечения сигнала антенн и добиваться лучшего управления диаграммой направленности.
Формирование диаграммы направленности гибридных антенн
По мере того, как меньшие длины волн позволят осуществлять реализации Massive MIMO в рамках небольших форм-факторов, инженеры столкнуться с новыми проблемами, связанными с определением траектории сигнала и его передачей в целом, так как загруженность частот mmWave будет расти по мере того, как будет появляться все больше беспроводных систем и решений с поддержкой 5G New Radio. В идеале, чтобы добиться лучшего управления диаграммой направленности и обеспечить большую гибкость для будущих систем, необходимо иметь независимый контроль нагрузок для каждого элемента антенной решетки, реализуемого с помощью модуля передачи/приема (transmit/receive, T/R), выделенного для каждого такого элемента. Однако, как правило, такой подход является нецелесообразным из-за ограничений по стоимости, размеру и потребляемой мощности.
Формирование диаграммы направленности гибридной антенны — это способ, который разделяет вашу задачу обеспечения лучшего управления диаграммой направленности на цифровые и радиочастотные составляющие, позволяя снизить стоимость конечного продукта, напрямую связанной с количеством используемых радиочастотных цепей. Диаграммы направленности гибридных антенн позволяют объединить часть элементов антенной решетки в подрешетки, определив для каждой такой подрешетки по одному модулю передачи/приема.
Для инженеров, которые хотят использовать эту стратегию в своих проектах 5G, ключевой проблемой, с которой они столкнуться, станет нахождение оптимального баланса между обеспечением требуемых параметров производительности и соблюдением ограничений по затратам на реализацию конечного продукта. Программные платформы, такие как Simulink (более детальную информацию о программной платформе вы можете найти здесь), позволят совмещать унифицированное мульти-доменное моделирование и проведение симуляций радиочастотных и цифровых доменов. Возможность пакетной симуляции схем радиочастотных элементов обеспечивает значительное ускорение моделирования гибридной системы.
На рисунке 2 продемонстрирован сегмент мульти-доменной модели, содержащей цифровые значения диаграммы направленности, которые используются для формирования сигналов радиочастотных подрешеток, где применяются фазовые сдвиги. Полученные гибридные значения создают нужные паттерны для антенной решетки и помогают подготовить системы для проведения моделирования.
Рисунок 2. Сегмент мульти-доменной модели, содержащей цифровые значения диаграммы направленности, которые используются для формирования сигналов радиочастотных подрешеток, где применяются фазовые сдвиги.
Моделирование и линеаризация усилителей мощности для систем 5G New Radio
Строгие требования к линейности усилителей мощности (power amplifiers, PA) как были важны для прошлых стандартов, так и продолжат оставаться критически важной характеристикой каждого будущего передатчика 5G. Отсутствие должного внимания к характеристикам усилителей мощности при разработке новых продуктов для работы в высоколинейных регионах приведет к тому, что решения окажутся попросту неконкурентоспособными, особенно когда речь идет о более высоких частотах и широкополосных каналах связи, которые прямо ассоциируются с 5G. По этой причине для повышения эффективности передатчика и одновременного ограничения искажения сигнала и нивелирования межканальных помех обычно применяются методы цифрового предискажения (digital predistortion, DPD).
Разработка высококачественного алгоритма DPD является сложной задачей, поскольку она требует глубокого понимания эффектов, создаваемых усилителем мощности и смежными подсистемами, такими как антенна. Поскольку усилители мощности сами формируют нелинейные искажения, зависящие от эффекта памяти, то характеристика усилителей мощности сильно зависит от типа сигнала, с которым он работает.
Из-за этих сложностей алгоритмы DPD зачастую разрабатываются в лабораториях, используя платформы быстрого прототипирования, которые позволяют проводить тестирование алгоритмов на основе реально существующего усилителя мощности. Хотя этот подход и полезен для проверки и тонкой настройки алгоритмов, его гораздо сложнее применять, когда реально существующий усилитель мощности еще недоступен, либо когда основная цель моделирования — изучение области проектирования алгоритма цифрового предискажения.
Адаптация к новым радиочастотным алгоритмам 5G
Стандарт беспроводной связи 5G обеспечит значительно более высокую пропускную способность мобильной широкополосной связи благодаря режиму улучшенного мобильного широкополосного доступа (enhanced Mobile Broadband, eMBB). Ключевыми элементами нового стандарта 5G являются:
- Более короткая длительность слотов, соответствующая увеличению количества поднесущих, которая позволяет увеличить пропускную способность канала и уменьшить время задержки.
- Новые продвинутые схемы кодирования, такие как LDPC (Low-density parity-check code, код с малой плотностью проверок на четность) для передачи данных и полярные коды для контролирования передаваемой информации, которые используются для исправления ошибок и повышения скорости передачи данных.
- Усовершенствованная форма передачи сигнала благодаря улучшенным характеристикам внеполосного излучения (out-of-band emissions, OOBE), которая позволяет более эффективно использовать ресурсы полосы пропускания.
- Модели пространственных каналов для работы на нынешних (<6 ГГц) и более высоких mmWave (> 28 ГГц) частотах.
Специализированные инструменты для проектирования позволяют значительно упростить изучение различных алгоритмов и поиск компромиссов при проектировании архитектуры еще на ранних стадиях разработки. Благодаря моделированию различных компонентов системы 5G в одной и той же среде с реалистичными каналами распространения, инженеры имеют возможность проверить производительность системы полного цикла еще до того, как она будет отправлена в тестовую лабораторию. В результате, внедрение и интеграция новых инновационных беспроводных систем 5G, возможно, окажется не такой уж и сложной задачей (более детальную информацию о том, как использовать MATLAB и Simulink для создания продуктов 5G, вы можете найти здесь).
Подписывайтесь на рассылку, делитесь статьями в соцсетях и задавайте вопросы в комментариях!
Согласно прогнозам, опубликованным в последнем издании доклада «Ericsson Mobility», технология 5G может стать глобальной быстрее, чем прежние поколения сотовой связи, и уже к 2024 году число её пользователей достигнет отметки в полтора миллиарда, а потенциальный охват составит 40% населения планеты. Технология 5G New Radio существует в двух версиях: неавтономной, которая будет лежать в основе всех коммерческих проектов, ожидающих запуска к концу текущего и на протяжении 2019 года, и автономной, которая предусматривает кардинально новую базовую архитектуру.
Либби Аллен из издания RCR Wireless News объясняет в своей публикации основные отличия двух версий технологии. Mediasat публикует перевод данной заметки.
5G является технологией мобильной связи пятого поколения, которая должна прийти на смену 4G LTE. Ключевыми улучшениями технологии 5G является её способность заменить собой наземные линии на протяжении нескольких лет, более совершенная антенная технология и более широкая пропускная способность канала.
Технология 5G была разработана из расчета возможности поддержки трёх основных вариантов использования: улучшенная мобильная широкополосная связь (или же eMBB), более ориентированная на гарнитуры; сверхнадёжная связь с низкой задержкой (либо URLLC), которая позволяет использовать технологию для промышленных IoT приложений и автономных механизмов; а также массовая машинная связь, предусматривающая работу таких устройств, как датчики.
Неавтономный 5G NR (известен также как NSA) является ранней версией Автономного 5G NR и, главным образом, используется для eMBB. NSA, в котором используется LTE RAN и ядро с добавлением несущей компонента 5G, в настоящее время тестируется на многих рынках – от Норвегии до Китая; к началу 2019 года станут доступны 5G-совместимые смартфоны, однако сети 5G будут строиться, главным образом, с опорой на существующую инфраструктуру 4G LTE. Начальная модель NSA 5G NR будет направлена на улучшение качества мобильного широкополосного интернета для повышения объёма и надёжности передачи данных путём использования частот миллиметрового диапазона. Это будет своего рода первый шаг, который позволит операторам начать предлагать коммерческие услуги уже в 2019 году, не ожидая 2020-го. Однако технология 5G в миллиметровом диапазоне будет иметь намного меньший, в сравнении с предыдущими поколениями, охват и будет в большей степени подвержена помехам. Запуск NSA позволит инженерам проанализировать и решить данные проблемы.
Автономный 5G NR появится на рынке примерно в 2020, и, как ожидается, ещё больше повысит эффективность работы сети в сравнении с LTE и неавтономным вариантом. Появление автономной версии технологии 5G NR приведёт к снижению затрат операторов и повышению производительности для пользователей. Автономная версия предусматривает наличие совершенно новой RAN и ядра сети. Подобно NSA, автономная версия будет использовать частоты миллиметрового диапазона, а также частоты низкого и среднего диапазонов, что позволит обеспечить широкое покрытие территорий и связь на скорости в несколько гигабит.
Технология 5G является эволюционным развитием телекоммуникационных сетей, и запуск NSA даёт операторам возможности для тестирования рынка и разработки новых предложений для потребителей. И хотя это лишь пробная версия, приходящая на рынок в преддверии появления автономного 5G, любая технология, отвечающая на запросы бытовых и корпоративных потребителей при снижении операционных расходов, будет иметь широкий успех на рынке.
Технология 5G или New Radio (NR) - это следующее поколение мобильных сетей (пятое по счету), которое следует за технологией четвертого поколения (4G) LTE (при этом дальнейшие развитие LTE не прекращается и продолжается разработка новой и расширение существующей функциональности для этой технологии). Изначально технология LTE разрабатывалась с целью предоставить высокоскоростную передачу данных (на базе IP протокола). Однако в ходе развития также была добавлена функциональность, чтобы поддержать новые области применения (прим. здесь и далее под "областью применения" имеется в виду англоязычное словосочетание "use case", если не отмечено иного). Например, возможность массового подключения низкобюджетных устройств для IoT (Internet of Things), для чего выдвигаются специфические требования к беспроводным сетям передачи данных, и эти требования существенно отличаются от изначально установленных требований к сетям LTE. В отличие от LTE технология 5G разрабатывается для различных областей применения изначально.
- eMBB (enhanced Mobile BroadBand) - предоставление улучшенного широкополосного мобильного доступа.
- mMTC (massive Machine-Type Communication) - возможность подключения очень большого числа устройств (датчики, счетчики и т.д.).
- URLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication) - предоставление высоконадежного соединения с очень низкой задержкой передачи данных.
eMBB (enhanced Mobile BroadBand)
Многоантенные технологии позволяют формировать диаграмму направленности (создавать так называемые лучи, в англ. "beam"), что увеличивает спектральную эффективность системы, а также расширяет зону покрытия сети. Последнее является особенно важным при использовании частот из миллиметрового диапазона. Ниже приводится ориентировочная таблица со скоростями передачи данных в зависимости от частотного диапазона (источник).
mMTC (massive Machine-Type Communication)
Данная область применения характеризуется возможностью подключения очень большого количество дешевых (стоимостью менее 5$) устройств. Примерами таких устройств служат различные датчики (например, датчики пожарной сигнализации, задымления, температуры), счетчики (воды, газа, тепла и т.п.), сенсоры и т.д. Кроме низкой стоимости, отличительной особенностью таких устройств является низкое энергопотребление. Это необходимо для того, чтобы обеспечить продолжительное время (несколько лет) работы от автономных источников питания (например, батареек). Объемы данных, передаваемые этими устройствами, также незначительные. Поэтому высокие скорости передачи данных в mMTC области не являются критическим аспектом.
URLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication)
Характеристики 5G / New Radio
Больше деталей можно найти в 3GPP TR 38.913 "Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies".
Читайте также: