5G – новое поколение сетей сухопутной подвижной связи G

В настоящее время наблюдается бурное развитие сетей мобильной связи 4 поколения, основанной на использовании технологий LTE и LTE-Advanced. Не меньшими темпами растет число сетей локального беспроводного доступа Wi-Fi. Статистика трафика, передаваемого в сетях обоих типов, с каждым годом неуклонно растет. Значительное увеличение объема передачи данных является следствием предоставления сотовыми и интернет-операторами разнообразных мультимедийных услуг и заинтересованностью в них большого числа пользователей. В будущем в связи с появлением нового рода услуг и выходом имеющихся услуг на более высокий качественный уровень величина суммарного трафика увеличится в разы.

Одними из основных факторов роста прогнозируемого объема передаваемых данных являются использование видеоуслуг (рисунок 1), массовое распространение устройств передачи данных (смартфонов и планшетных компьютеров) среди населения (рисунок 2), потребность пользователей в использовании множества различных приложений и их регулярном обновлении.

Рисунок 1. Глобальная оценка мобильного трафика по различным видам услуг

Рисунок 2. Прогнозируемый рост в мире числа пользователей смартфонов, планшетных устройств и обычных телефонов

По многим прогнозам даже самые передовые на данный момент сети LTE Advanced будут не в состоянии обеспечить массовость предоставления таких потенциальных услуг как:

·     услуги на основе голограмм и мультимедиа с полным эффектом присутствия;

·     услуги виртуальной реальности;

·     услуги со сверхнизкой задержкой по времени;

·     услуги «Интернета вещей» (IoT) на основе массового подключения устройств;

·     интеллектуальные услуги на основе больших объемов данных.

В связи с этим актуальной задачей для разработчиков и производителей является усовершенствование имеющихся и создание новых технологий с целью создания стандарта сетей мобильной связи следующего поколения – стандарта 5G (IMT-2020). Ожидается, что сети 5G обеспечат потребности пользователей в большей степени, чем проводные сети.

На данный момент приняты следующие направления развития стандарта 5G:

·     повышение пиковой и практической скорости передачи данных до 20 Гбит/с и 0,1 -1 Гбит/с соответственно;

·     сокращение времени задержки передачи данных до 1 мс;

·     увеличение значения допустимой скорости перемещения мобильных абонентов до 500 км/ч при сохранении качества обслуживания;

·     повышение плотности подключаемых абонентов;

·     достижение лучших значений энергоэффективности оборудования;

·     более эффективное использование радиочастотного спектра;

·     повышение плотности трафика на обслуживаемой территории.

Кроме того, концепция внедрения сетей 5G подразумевает интеграцию с существующими сетями LTE и LTE-A, а также сетями беспроводного доступа Wi-Fi.

Отличительной особенностью архитектуры сетей 5G будет являться наличие облачных технологий. Реализация некоторых сетевых функций за счет применения облачных вычислений позволит виртуализировать часть сетевых элементов операторов связи. Обработка и хранение данных планируется в виртуальной среде. Таким образом, за классическим оборудованием будет закреплена лишь функция передачи пользовательского трафика.

Компанией Huawei предлагаются следующие технические решения для организации радиоинтерфейса будущего стандарта:

1.  Технология SCMA (Sparse Code Multiple Access).

В этой технологии битовые потоки разных пользователей в одном частотном ресурсе, напрямую преобразуются в кодовое слово при помощи так называемой кодовой книги из определённого набора (рисунок 3). Эти коды условно называются квазиортогональными.

2.  Технология F-OFDM (Flexibel OFDM).

Данная технология отличается от технологии OFDM гибким разбиением на поднесущие, применением различной длины символов и изменяющейся величиной циклического префикса (рисунок 4).

3.  Технология Polar Code.

Технология подразумевает использование линейного корректирующего кода, основанного на явлении поляризации канала. Применение данной технологии позволяет повысить частотный спектр в три раза, проводить декодирование линейной сложности и существенно увеличить скорость передачи данных.

Рисунок 3. Суть технологии SCMA

Рисунок 4. Различие технологий F-OFDM и OFDM

Из дополнительных технологий, которые скорее всего будут использованы в стандарте нового поколения, стоит отметить:

Massive MIMO. Технология позволяет передавать одному абоненту до 8 потоков данных. Представляет собой комплекс из нескольких антенн, который формирует острые диаграммы направленности. Использование нескольких лучей может улучшить уровень принимаемого сигнала и устранить интерференцию от других абонентов, что положительно повлияет на пропускную способность сети и эффективность использования частотного спектра.

M2M. Технология M2M необходима для взаимодействия устройств между собой без непосредственного участия человека, т.е. для автоматизации процессов. Сфера применения М2М достаточно широка. Например, в платежных терминалах, системах безопасности, в системах координации транспортных средств. Технология удешевляет процессы, а также минимизируют их зависимость от человеческого фактора, позволяет оперативно реагировать на сбои в работе систем.

Flexible Duplex. С помощью этой технологии возможно организовать гибкую передачу трафика, например, в восходящем канале передавать информацию для нисходящего канала.

FBMC/UFMC (Filter Bank Multicarrier/ Universal Filter Multi-Carrier). Технология позволяет добиться увеличения спектральной эффективности и улучшения канальной селективности.

Ultra-dense networking. Технология позволяет за счет виртуализации организовать сверхплотные сети, за счёт которых на выделенной площади можно обслуживать большое количество абонентов, что в свою очередь позволяет строить сложные иерархии сети.

Одним из препятствий для запуска сетей стандарта 5G является недостаток частотного ресурса. В будущих сетях ресурс должен расшириться, в том числе за счет миллиметрового диапазона. Первичными диапазонами для сети 5G предполагается сделать диапазон ниже 6 ГГц. Частоты выше 6ГГц планируется использовать в дальнейшем для предоставления универсального доступа и организации магистральной связи.

Тестовые испытания предполагаемого оборудования для 5G сетей проводились в конце 2016 года в ряде стран, в том числе и России. В ходе тестирования оборудования были достигнуты показатели, близкие к значениям, требуемым от сетей следующего поколения.

Однако сейчас довольно сложно говорить о возможностях и сроках реализации коммерческих сетей 5G. Это обусловлено отсутствием готовых скоординированных решений по будущему стандарту. Когда же все-таки компаниям, ведущим проекты по развитию сетей 5G, получится прийти к единому мнению, а также завершится разработка спецификаций стандарта, вполне возможно, что мир получит единую, стабильную, высокодоступную и конвергентную сеть нового поколения.