5G и тенденции рынка беспроводной связи

5G и тенденции рынка беспроводной связи

Как индустрия мобильной связи справляется с вызовами времени
Масштабные проекты будущего, такие как «интернет вещей», Projects of the future such as the Internet of Things, улучшенная широкополосная передача данных и автомобили с автопилотом выдвигают очень высокие требования к качеству мобильной сети. Ожидается что 5G, следующее поколение мобильной связи, будет соответствовать заявленным требованиям. Однако благодаря постоянным технологическим улучшениям, уже и сети LTE / LTE-Advanced демонстрируют отличные показатели, пройдя долгий путь эволюции, краткий обзор которого представлен ниже.

 

 Если взять за точку отсчета замороженные спецификации 1990 года для 900 MГц GSM-стандарта, то цифровая беспроводная связь только в прошлом году отметила свое 25-летие. Однако ни о каком замедлении развития нет и речи – дела обстоят совсем иначе. Жажда данных в сотовой связи постоянно возрастает, и спрос на дальнейший технологический прогресс сохраняется. В ближайшие 6 лет ожидается 10-кратное увеличение мобильного трафика, а эксперты прогнозируют экспоненциальное увеличение количества вещей, которые будут взаимодействовать между собой через интернет («Интернет вещей», Internet of Things, IoT). В отчете Ericsson Mobility сообщается, что общее количество абонентов мобильной связи к концу 2015 года составило около 7.3 млрд. (включая 1 миллиард абонентов LTE), с увеличением на 68 миллионов за 4 квартал 2015. Ожидается, что количество абонентов на конец 2021 года составит 9.1 миллиардов. В 2015 году среднестатистический пользователь смартфона потреблял ежемесячно 1.4 Гб данных. Согласно прогнозам, эта цифра к концу 2021 года достигнет 8.5 Гб. Комбинация этих двух факторов дает экспоненциальный рост мобильного трафика по всему миру.

 

Данная статья расскажет, как огромные объемы мобильного трафика передаются сегодня и как мобильные операторы собираются гарантировать превосходное качество связи в будущем.

 

Технологии 2G / 3G / 4G и будущие улучшения

Анализируя различные мобильные технологии 2G (GSM, GPRS, EDGE), 3G (UMTS, HSPA, HSPA+) and 4G (LTE / LTE-Advanced (LTE A)), становится очевидным, что внедрение новых методов передачи данных через беспроводной интерфейс между базовыми станциями и мобильными устройствами в паре с оптимизацией архитектуры мобильной сети позволили добиться значительных улучшений. Теоретически достижимая скорость передачи данных на 1 устройство возросла с нескольких сот кбит/с (EDGE) до 42 Мбит/с (HSPA+) и нескольких сотен Мбит/с (LTE / LTE A). Вершиной прогресса стали коммерчески доступные LTE A устройства со скоростью передачи данных до 600 Мбит/с в идеальных лабораторных условиях. В реальной сети условия распространения сигнала и принцип деления канала уменьшает достижимые скорости, поскольку доступная полоса пропускания делиться между всеми активными абонентами. Тем не менее, технология LTE / LTE A значительно повысила скорости передачи данных и пропускную способность сети. Для достижения такого результата потребовалось несколько новшеств:

 

• Широкая полоса пропускания до 20 MГц, которая может быть предоставлена одному абоненту, а также возможность объединять до 5 несущих частот таких 20 MГц полос для каждого абонента (известна как агрегация несущих, carrier aggregation, CA). CA – это самое значительно улучшение LTE-Advanced в 3GPP Release 10.
• Использование пространственного мультиплексирования (технология MIMO), включая использование от двух до восьми/четырех передающих/принимающих антенн
• Быстрое OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) мультиплексирование – частотное и временное распределение ресурсов может быть изменено за миллисекунду. Наименьший ресурс, который может быть выделен на мобильное устройство – это ресурсный блок (RB) с частотой 180 кГц и длительностью 0.5 мс.
• Высококачественные методы модуляции, особенно QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM.

 

Тонкая сетевая архитектура и прямая передача данных с коммутацией пакетов обеспечивают короткое время ответа сети. LTE-смартфоны загружают интернет-страницы намного быстрее предыдущих технологий.

 

Внедрение LTE / LTE A позволило мобильным операторам удовлетворить возрастающий спрос. Успех этой технологии подтверждает и тот факт, что 494 коммерческие сети были внедрены в 162 странах мира после запуска первой коммерческой LTE-сети в конце 2009 (источник: Global Mobile Suppliers Association (GSA), April 2016). Следующие разделы рассматривают несколько ключевых усовершенствований LTE в результате улучшений, представленных органом стандартизации 3GPP (с Release 10, LTE также упоминается как LTE Advanced или LTE A).

 

LTE предоставляет особые расширенные сервисы широковещательной и многоадресной передачи мультимедиа, что позволяет выделять одни и те же ресурсы (частотные и временные) нескольким абонентам внутри соты. Это очень эффективный метод адресации, например, мобильных ТВ-приложений, когда много абонентов одновременно получают одни и те же данные. Этот режим также позволяет абонентским терминалам эффективно устанавливать новой ПО – задача, которая по-прежнему происходит с установлением отдельного канала передачи данных для каждого устройства.


Поскольку WLAN присутствует практически во всех беспроводных устройствах, сети WLAN доступны в частных жилых помещениях и во многих публичных местах. Многие мобильные операторы размещают точки доступа в многолюдных местах, таких как аэропорты, для обеспечения альтернативного доступа к сети Интернет. В таком случае пользователю достаточно переподключиться к WLAN для получения доступа, или же некоторые устройства сами подхватывают сеть при ее обнаружении. В этом случае весь поток данных проходит либо через мобильную сеть, либо через WLAN. В спецификации 3GPP доступен к использованию специальный режим, когда почтовые приложения работают в особом режиме и это доступно для использования. Например, приложение электронной почты работает в фоновом режиме через WLAN пока идёт передача видеоданных с помощью технологии LTE. Однако, это не адаптировано (пока) в коммерческих сетях. В общем, сетевые операторы получают значительно большую гибкость, когда используют WLAN и LTE и могут обеспечить своих абонентов более высокой скоростью передачи данных и большей ёмкостью сети. Как альтернатива, действующая LTE / LTE-A в нелицензированном частотном диапазоне не возможна (могут быть лицензированы при содействии доступа с LAA) и включены в 13-тый релиз 3GPP (утверждено в Мае 2016). Вместо того, чтобы переключаться с LTE на беспроводную локальную сеть, LTE используется, например, в не лицензируемом 2.4 ГГц ISM диапазоне и возможность передачи данных увеличивается с помощью функции агрегации несущей.


Функция прослушивания перед тем как говорить добавляется к LTE, чтобы избежать конфликтов и обеспечить доступ к полосам. Это предоставляется только при наличии достаточной ёмкости. И наконец, агрегирование (соединение) данных с LTE и беспроводной локальной сети на уровне IP возможно, как и более тесная интеграция WLAN и LTE ячеек путём обмена радиопараметрами между схемами доступа. Следовательно, 3GPP предоставляет дополнительное решение с помощью технологий WLAN и LTE. Коммерческое развёртывание решит где какое из этих решений будет принято.


Сети LTE используют одну и ту же частоту в каждой ячейке, что приводит к межсотовым взаимным помехам (интерференции) на границах ячеек. Беспроводное устройство с активным подключением к базовой станции получает сигналы от соседних ячеек базовой станции, которые посылают сигналы к своим подключённым устройствам. Это вызывает помехи (интерференцию волн) и снижает достижимые скорости передачи данных – эффект, который особенно влияет на гетерогенные сетевые среды с топологией сети, в которой множество маленьких (фемто- или пико-) ячеек работают с большими (макро) ячейками. Пешеходные зоны являются очень хорошим примером. Маленькие, высокой мощности горячие точки охватывают области (площадь) с высоким траффиком, но они также могут быть в пределах диапазона приёма более высокого уровня ячейки, которая охватывает части города. Координированная мультиточечная передача и приём (CoMP) были введены, чтобы противодействовать этому эффекту. CoMP позволяет передавать сигнал на беспроводное устройство на границе ячеек скоординировано. Существуют различные способы реализации этой координации. В самом простом случае для этого достаточно просто решить какие из потенциально доступных базовых станций будут использоваться для передачи. Другие возможности включают выделение блоков ресурсов для беспроводных устройств или направление лучей антенн базовых станций, участвующих в передаче, для минимизации помех (интерференции волн). Используя технологию MIMO и также воздействия на сигнал базовой полосы (предварительное кодирование) в скоординированной манере позволяет получить оптимальное покрытие на границах ячеек. Дополнительный технологический компонент, который называется «двойное подключение» был указан в спецификации релиза 12 для 3GPP, чтобы предложить дальнейшее усовершенствование для гетерогенных сетей.


Беспроводные устройства конфигурируют для подключения к двум базовым станциям на двух разных несущих частотах. Мастер базовой станции (eNodeB в LTE) поддерживает макро-ячейки более высокого уровня, а ведомый eNodeB поддерживает горячую точку, т.е. пико- или фемто-ячейка. В этой конфигурации, мастер eNodeB использует такие параметры как сотовый трафик и скорость устройства для того, чтобы решить использовать макро-ячейки или горячую точку для подключения и передачи данных. Переключение между ними проходит очень быстро и не требует никакой дополнительной сигнализации (имеется в виду процесс оповещения и обмена служебными сигналами между элементами сети в процессе установления и разъединения соединения между двумя системами). Это экономит ёмкость сигнализации и минимизирует передачу ошибок.

 

В беспроводных устройствах, помехам на границах ячеек можно противодействовать путём использования усовершенствованных приёмников, которые распознают эти специфические типы помех и используют соответствующие алгоритмы чтобы удалить их из полученного сигнала.


Дополнительная информация о потенциальных помехах может также быть предоставлена с помощью сети для улучшения таких расчётов. В стандарте LTE, эти технологические компоненты именуются как дальнейшее усиление координации межсотовых помех ( feICIC, включено в 11 релиз 3GPP) и сеть помогает в аннулировании и подавлении помех (NAICS, включён в 12 выпуск (релиз) 3GPP).


Возможности подключения одного устройства к другому (D2D) имеет особое значение, поскольку они обеспечивают две фундаментально новые функции. Во-первых, функция обнаружения и поддержки сети позволяет двум пространственно-соседним беспроводным устройствам детектировать друг друга. Во-вторых, эти и другие устройства в их окрестностях смогут обмениваться данными напрямую, то есть без прохождения через базовую станцию, которая охватывает данную область. Однако, по крайней мере для случая нахождения в зоне обслуживания сети, то есть если по меньшей мере одно устройство расположено в пределах зоны покрытия сети, весь процесс проходит проверку подлинности и конфигурируется с помощью сети. Внедрение этой совершенно новой функциональности в основном мотивировано соображениями общественной безопасности. Приложения пожарной службы и полиции должны обмениваться большими объёмами данных (изображения, видео) в пределах небольших групп лиц, некоторые из которых могут быть расположены за пределами области покрытия сети, в том числе и в подвале горящего здания. Обмен данными между беспроводными устройствами, подключёнными таким образом, будет первоначально ограничиваться публичной безопасностью и защитными приложениями. Первоначально, использование широкой общественностью услуг широковещательной передачи будет ограничиваться с помощью программы. Другие коммерческие использования моделей мыслимы и так же обсуждаются в рамках процесса разработки системы 5G. В отдельных случаях использования в автомобилях они так же применимы, так как потенциально поддерживают автономию вождения.


Даже среди сетей LTE / LTE A, производительность которых растёт, всесторонний охват 4G займёт некоторое время. Эффективная передача технологиями 2G и 3G остаётся критической. Но также есть много случаев, когда использование низкой скорости передачи данных является достаточным. Здесь, ставится акцент на экономически эффективные решения с длительным временем автономной работы. В случае среды машина к машине (M2M), к примеру модули с технологией GPRS, разработанные за последние годы, очень часто используются. Однако, LTE /LTE A уже имеют и уже открыли несколько усовершенствований для обслуживания M2M приложений. Например, есть категория 0 для пользователя LTE оборудования, которое снижает требования для этого класса устройств (низкие требования к скорости передачи данных, и отсутствие поддержки MIMO). Так же были введены процессы, чтобы предотвратить перегрузку сети мобильной связи, когда большое количество устройств M2M пытаются получить доступ к сети в одно и тоже время. Снижение сложности далее прогрессировало в 13 выпуске 3GPP. Новая UE категория М поддерживает только полосу пропускания в 1.4 МГц и максимальную выходную мощность только 20 дБм. Узкополосный IoT (NB-IoT) описывает определённый режим, который поддерживает только полосу пропускания в 180 кГц, в то время как в даунлинке поддерживается известная поднесущая 15кГц схема OFDMA, в аплинке используется довольно новая поднесущая 3.75 кГц однотонная схема передачи SC-FDMA. Улучшение охвата с помощью повторения каналов также может быть реализовано.

 

Суммарно, на данный момент технология LTE / LTE A охватывает возрастающие потребности передачи мобильного траффика так же, как и M2M / IoT. Расширение мобильной широкополосной связи и IoT также являются основными кейсами, которые учитываются во всестороннем обсуждения вокруг следующего поколения (5G). Что же мотивирует индустрию внедрить новое поколение мобильной связи уже в 2020 году (или даже в 2018 на региональной основе)? Во-первых, из-за постоянно растущего числа абонентов и скорости передачи данных, даже продвинутый LTE / LTE-Advanced не сможет покрыть спрос на долгосрочной основе. Во-вторых, определение нового общеотраслевого использования класса решений, чтобы значительно улучшить мобильную сетевую задержку. Такие практические примеры по меньшей мере частично требуют чрезвычайной безопасности и надёжного соединения. Затем можно будет использовать сотовую связь в автомобильной промышленности (то есть поддерживать автономное вождение) и в отраслевых приложениях 4.0, что открывает новые источники доходов. Требования к задержке в диапазоне 1 мс невозможно реализовать с помощью LTE/LTE A. В дополнение к аргументам, которые базируются на технологической базе, предыдущий цикл разработки указывает, что следующий технологический этап произойдёт в 2020 году. GSM была введена в 1990 году, UMTS в 2000 и LTE в 2010. Кроме того следует отметить, что Олимпийские Игры 2020 будут проводиться в Японии – стране, которая активно участвует в развитии 5G (естественно, не только по этой причине).

 

Научно-исследовательские институты и департаменты развития в крупных беспроводных коммуникационных компаниях уже проводят обширные исследования в направлении технологии 5G. Эти усилия в первую очередь посвящены четырём технологическим блокам, которые обсуждаются в качестве решения для удовлетворения будущих требований. Первоначальные усилия в исследованиях определят, какие дополнительные частотные диапазоны могут быть сделаны доступными за счёт существенного увеличения пропускной способности. Эти исследования охватывают спектр до 100 ГГц с полосой пропускания до 2-х ГГц. Здесь, существенно изменили условия распространения канала, что играет ключевую роль. Исследователи должны проанализировать эти условия до того, как они смогут разработать и оценить соответствующие модели каналов для оценки новых технологий. Использование большого числа передающих и принимающих антенных элементов (порядок величины: 100) также подвергается оценке. Они могут быть использованы для увеличения скорости передачи данных в спектре частот ниже 6 ГГц за счёт использования современных методов MIMO в области высоких частот, они нужны, чтобы обеспечить усиление антенны, необходимое для достижения соответствующих размеров ячеек. Новые технологии радиоинтерфейса обсуждаются в связи с переходом к значительно большим частотам, что позволит значительно уменьшить время реакции. Некоторые из этих интерфейсов имеют дополнительные функции фильтра, базирующиеся на технологии OFDM, реализованной на LTE. Примеры включают в себя универсальный фильтр с множеством несущих (UFMC), набор фильтров с множеством несущих (FBMC), обобщённое мультиплексирование с частотным разделением каналов (GFDM) и отфильтрованный (иногда называется гибким) OFDM (f-OFDM). Более эффективная топология сети также рассматривается, топология, которая уже начала использоваться сегодня. Фундаментальная идея заключается в том, чтобы разработать функции программного обеспечения, которые являются специфическими для узлов мобильной связи, реализовать их на открытых аппаратных платформах. Это бы сделало возможным более доступную реализацию, например ядра расширения пакета (EPC) узловых функций в базовых мобильных сетях также как модулирующих функций базовых станций. Это также позволит операторам перемещать эти функции на альтернативные платформы в случае сбоя (или выхода из строя) оборудования. В конечном счёте, процессы будут аналогичны тем, которые уже имеют место в центрах обработки данных на сегодняшний день. Сетевая функция виртуализации (NFV) и программное обеспечение определяет сети (SDN) так же как сетевая нарезка помогает управлять гибкостью реализации этих функций в мобильных сетях. Следует отметить, что аспекты безопасности подробно обсуждаются в данном контексте.

 

Резюме
Высокая производительность технологий LTE / LTE-A, их бесшовное сотрудничество с существующими 2G / 3G сетями и использование нелицензионного спектра, дополнительного к WLAN, позволяет операторам сети удовлетворять постоянно растущие требования своих абонентов в отношении передачи данных. Широковещательные/многоадресные решения повышают гибкость системы. M2M решения уже играют важную роль. Возрастающее число интернет-вещей (IoT), которые будут общаться друг с другом в будущем и новые требования, вытекающие из вертикальных веток промышленности (автомобильной промышленности, здравоохранения, управление роботами и т.д.), как ожидается, диктуют необходимость дальнейших значительных улучшений. Вот почему исследования и предварительное развитие в индустрии мобильной связи уже обсуждают 5G, поскольку смотрят в сторону 2020 года и далее. Rohde & Schwarz и его дочерние компании SwissQual и ipoque предлагают полный пакет для сегодняшних T&M задач и активно участвуют в исследованиях и разработках 5G.

 

Перевод статьи Meik Kottkamp, Technology Management Wireless, Germany

Интернет-магазин