Особенности оценки условий ЭМС для сетей 5G. Часть 1

Рассмотрены основные особенности оценки условий ЭМС для сетей 5G. Эти особенности сформулированы на основе анализа уже известных сегодня технических решений, планируемых для построения радиоинтерфейсов 5GNR (NewRadio).

Введение

Будущая технология нового поколения 5G/IMT-2020, как и любая новая технология, привносит свои специфические особенности во все аспекты, касающиеся практики ее внедрения. Как показывает опыт прошлых лет, одним из таких особо важных аспектов для условий России является электромагнитная совместимость (ЭМС). На этапе подготовки к внедрению радиосетей новой технологии 5G, названных NewRadio(NR), необходимо заблаговременно побеспокоиться о принятии мер по эффективной оценке условий ЭМС для этих сетей на основе тщательного анализа особенностей технологии 5G, а правильно и точно оценив эти условия – успешно обеспечить электромагнитную совместимость радиосредств новых сетей с другими РЭС.
В статье проводится краткий анализ состояния разработок 5Gи уже известных технических решений, делается вывод о специфике ЭМС для сетей 5G.

Особенности радиоинтерфейсов 5G

Сегодня до окончательного принятия официальных стандартов на технологию 5G/IMT-2020 на разных форумах обсуждается широкий круг разнообразных аспектов, связанных с этой технологией. Логично предположить, что особенности оценки ЭМС для новых сетей всецело будут определяться спецификой тех технических решений, которые будут применены в принятых радиоинтерфейсах системы 5G.
Основная концепция 5G.Необходимость появления нового поколения систем мобильной связи 5G/IMT-2020 продиктована целым рядом факторов. Главные из этих факторов можно охарактеризовать так: сегодня существует совокупность приложений, которые требуют очень малых временных задержек в сети (дистанционные измерения, обеспечение безопасности дорожного движения, управление производственными процессами и т.д.), а также требуют высокого уровня надежности сети (управление критической инфраструктурой – сети передачи электроэнергии, индустриальный контроль и обеспечение таких жизненно важных социальных функций, как транспорт, телемедицина, управление "умным" городом и домом) и соответствующих форматов быстрой передачи разных объемов данных (больших объемов – при удаленном видеонаблюдении, малых объемов – при отслеживании движения грузов и т.д.).
Можно выделить и ряд конкретных требований, которые не могут быть удовлетворены посредством существующих сетей мобильной связи. К ним относятся:

• скорость доставки пользовательских данных в любой точке в сотни Мбит/с;
• сверхвысокая пропускная способность (до 20 Гбит/с) в определенных сценариях, которая может быть достигнута в сетях за счет создания сверхплотной сетевой архитектуры и формирования довольно широкой полосы радиоканала (несколько сотен МГц и даже несколько ГГц), благодаря использованию более высоких диапазонов радиочастот (от 6 ГГц до 100 ГГц);
• эффективное использование потребляемой электроэнергии, которая будет иметь еще большее значение в будущем и должна существенно повлиять на дизайн сети радиодоступа в 5G.

В технологическом плане требования к радиосетям 5GNRможно разделить по нескольким доменам, и поскольку они находятся сегодня в стадии предварительного видения, то носят общий характер – "что примерно должно быть". Требования к 5Gв таком формате составляют четыре домена [1-4]:

• новый радиоинтерфейс с малыми сотами (New Air Interface (Small Cells))- должен базироваться на новых формах сигнала (New waveform), а точнее – на новых методах множественного доступа, на новых видах дуплекса (New duplexing), на простых и гибких протоколах канального уровня (Light MAC), высоких порядках модуляции (Higher order modulation), на механизмах межсотового взаимодействия и координации (Multi-cell cooperation), на эффективных методах компенсации внутрисистемных помех (Interference cancelation/utilization), на многомерных антенных системах (Massive MIMO) и 3-мерном формировании направленного луча для многопользовательской передачи (MU 3D Beam forming);
• новая архитектура сети радиодоступа (New NW Architecture)– использование смешанных сот с разными уровнями иерархии и управление ресурсами в гетерогенной архитектуре Het-Net (Mixed Cell & Het-Net management), централизованные и "облачные" сети радиодоступа RAN (Centralized RAN/Cloud RAN), реконфигурируемые радио- и сетевые элементы SDR и SDN (SW Defined Radio/Networks), передача пользовательских данных и управляющей информации (служебных команд) в разных физических средах (Separation of data & control planes), совместное использование сетевой структуры (Network sharing);
• радиочастотный ресурс (Radio Frequency)– использование высоких диапазонов частот, включая диапазон миллиметровых волн (Millimeter wave), новые формы лицензирования (New licensing regime), использование лицензируемого и нелицензируемого спектра (Licensed & unlicensed band operation), совместное использование спектра (Spectrum sharing), комбинированное применение спектра внутри помещений и в наружной среде (Indoor-Outdoor operation);
• интеллектуальные и адаптивные сети (Intelligent & Adaptive Networks) – стохастическое и адаптивное использование сетевых ресурсов (Opportunistic & adaptive use of resources), обнаружение доступного спектра (Spectrum sensing) и использование его на принципах когнитивного радио (Cognitive radio and network), само-конфигурируемые и автоматизированные сети (Automated networks/Plug & play), низкое и "интеллектуальное" потребление электроэнергии (Lower and smarter use of energy).

В целом основная концепция 5Gс учетом перечисленных компонент заключается в комплексном использовании действующей технологии 4G/IMT-Advancedс непрерывным эволюционным развитием (EnhancedIMT-Advanced) и совершенно новой технологии NewRATс новыми возможностями (рис. 1).

Рис.1. Основная концепция 5G/IMT-2020

Состояние стандартизации 5G. Этапы стандартизации показаны на рис. 2. Разработка технологии 5Gосуществляется в рамках международных и национальных исследовательских проектов, Партнерского Проекта 3GPPи Международного союза электросвязиITU-R. Важную часть разработок 3GPPв области NewRATсоставляют Технические спецификацииRel’15 (5GФаза 1) и Rel’16 (5GФаза 2).

Рис.2. Стандартизация 5G

Концепция построения сети радиодоступа 5G/RAN. Главные компоненты решений по радиоинтерфейсу, которые должны обеспечить высокие скорости передачи данных в сети RAN, вытекают из известной теоремы Шеннона (рис. 3).

Рис.3. Компоненты высокоскоростного радиоинтерфейса 5G

На их основе определены три главных направления для построения сети RAN5G(рис. 4) [3,4].

Рис.4. Три компоненты в основе радиоинтерфейса 5G