В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
После Всемирного Саммита LTE World Summit-2013 (г. Амстердам), ставшего толчком для исследований в области 5G, интенсивно начали создаваться международные исследовательские проекты по обоснованию облика будущих систем. Некоторые аспекты подобных исследований уже были описаны в [12]. Данная статья не потеряла актуальность и сейчас, поскольку дополняет эти публикации некоторыми новыми фактами, в том числе описанием исследовательских проектов и основных проблемных вопросов, которые еще нужно решить.
В свое время Международный союз электросвязи (МСЭ) призвал мобильное сообщество не использовать термины, обозначающие порядковый номер поколений систем IMT. В Резолюции МСЭ-Р № 56 "Определение названий для международной подвижной электросвязи" дается название тем системам, которые включают новые радиоинтерфейсы. Согласно Резолюции, использование термина "IMT2000" подходит для описания систем IMT2000, включая и их усовершенствованные модификации (к примеру, UMTS, HSPA, HSPA+). Термин "IMTAdvanced" следует применять к тем системам, которые содержат новые радиоинтерфейсы, поддерживающие новые возможности последующих систем. Корневым является термин IMT, который охватывает одновременно как IMT-2000, так и IMT-Advanced.
5G (5-е поколение беспроводных систем) – название, которое сегодня используется в некоторых исследовательских проектах для обозначения последующих стандартов мобильной связи, следующих за стандартами предыдущих поколений (официального 3G и условно введенного 4G). Таким образом, не являясь официальным, термин "5G" используется "поинер-ции" в качестве наиболее удобной формы для обозначения систем следующего поколения. Вместе с тем, для обозначения этих систем МСЭ рекомендовал название этих систем как "IMT-2020".
Учитывая вышесказанное и следуя простоте обозначения при описании новых решений, в данном статье будем использовать термин "5G".
Необходимость появления нового поколения систем мобильной связи 5G продиктована целым рядом факторов, главные из которых отображены на рис. 1.
Эти факторы можно дополнить тем, что сегодня существует совокупность приложений, которые требуют очень малых временных задержек в сети (дистанционные измерения, обеспечение безопасности дорожного движения, управление производственными процессами и т.д.), 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.) [1].
Можно выделить и ряд конкретных требований, которые не могут быть удовлетворены посредством существующих сетей связи. К ним относятся:
Перечисленные факторы явились основанием для определения ключевых требований к системам 5G. Эти требования предварительно сформулированы в рабочем документе МСЭ-Р [7] и в ряде исследовательских проектов, которые рассматриваются ниже. Отмеченные требования в виде количественных показателей показаны в табл. 1.
На рис. 2 эти требования (IMT TBD) сравниваются с параметрами существующих систем 3G (IMT-2000) и 4G (IMT-Adv) [7].
В технологическом плане требования к сетям 5G можно разделить по нескольким доменам, и поскольку они находятся сегодня в стадии предварительного видения, то носят общий характер – "что примерно должно быть".
Требования к 5G в таком формате показаны на рис. 3, где выделены четыре домена [2, 4]:
По общему представлению, к 2020 г. и позже системы 5G должны предоставить неограниченный доступ к информации где угодно и в любое время. Чтобы достичь этого, необходимо иметь намного большее разнообразие приложений и устройств, чем имеют сегодняшние сети широкополосного доступа. Концепция 5G – это намного больше, чем просто сетевые технологии. 5G следует рассматривать как общую среду беспроводного доступа и общения людей и устройств через разнообразный набор сценариев. Сетевая среда 5G выйдет за рамки человека в виде "Интернета вещей" (IoT – the Internet of Things), "Сетевого общества" (the Networked Society) и машиноориентированных коммуникаций (М2М – machine-to-machine, D2D – device-to-device).
Из-за этого набора приложений 5G не будет какой-то единственной технологией, а, скорее (в особенности на начальном этапе), будет комбинацией из разных радиотехнологий, включая, прежде всего, развитые версии HSPA и LTE, а также новые технологии радиодоступа. По некоторым оценкам, даже GSM будет играть некоторую роль при низкоскоростной передаче коротких пакетов между устройствами, продолжая быть важной радиотехнологией во многих частях мира – вплоть до 2020 г.
Следовательно, говоря о 5G, речь не идет о замене существующих технологий, а, скорее, о развитии их и дополнении новыми технологиями. В общем представлении 5G = развитие существующих стандартов + новые технологии.
Ожидается, что в среднесрочной перспективе (примерно до 2020 г.) для достижения целей 5G будет прогрессировать развитие систем 3G (IMT-2000) и 4G (IMT-Advanced), поскольку они продолжают совершенствоваться и имеют большой потенциал по своим функциональным возможностям (рис. 4).
В среднесрочной перспективе, начиная с 2020 г., ожидается появление принципиально отличных радиотехнологий доступа IMT-2020 с расширенными возможностями и применением новых, более высоких диапазонов частот, вплоть до диапазона миллиметровых волн.
Рис. 5 поясняет общую концепцию 5G в сети радиодоступа [14].
Поскольку сегодня под 5G не подразумевается какая-либо конкретная функционально законченная технология, то и отсутствует стандартизация ее в 3GPP в прямой постановке. В 3GPP разрабатываются стандарты, направленные на дальнейшее развитие технологий IMT с учетом тех новых требований, которые были перечислены выше. Однако роль для 3GPP в развитии 5G должна все же быть определена, ожидается, что 3GPP будет активно вовлечен в развитие 5G-стандартов. Ну, а сегодня открыты исследовательские проекты по формированию облика будущих систем.
Исторически сложилось так, что центры разработки перспективных систем мобильной связи сосредоточились в трех географических регионах: Европе, Азии и Северной Америке. В странах этих регионов и начаты исследования в области 5G. Региональные проекты ведутся в Евросоюзе (в рамках ICT (European Information and Communications Technology Industry), программы FP7 и FP8), Китае (Promotion Group "IMT-2020" и Programm 863-5G), Южной Корее (5G Forum с участием института исследований в области электроники и телекоммуникаций ETRI, операторов связи KT, SKT, LG U+ и промышленных компаний Samsung Electronics, LG Electronics, KMW, Dio Interactive), Японии (ARIB, Group "IMT-2020 boyond"), Индии (WISDOM – Wireless Innovative System for Dynamically Operating Mega-Communications) и США (ISRA – Intel Strategic Research Alliance и целый ряд других) [6].
На рис. 6 показаны европейские проекты 5G, а в табл. 2 дано их описание [6].
Самым масштабным является европейский исследовательский проект METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society). Участниками этого проекта является целый ряд таких компаний, как Ericsson, Nokia, Lucent-Alcatel, Huawei, DoCoMo, Orange, Telefonica, Telecom Italia, Deutsche Telecom. Интересным обещает стать автомобильный вариант исследований, в котором активное участие принимает концерн BMW – речь идет о развитии технологий vehicle-to-vehicle, превращающих автомобили из терминалов в промежуточные узлы связи.
В ходе этого проекта должны быть определены пути развития мобильной связи на период до 2020 г., т.е. примерно через 8–10 лет после коммерциализации систем LTE и LTE-Advanced. Не исключается, что базовая технология 5G может отличаться от LTE-Advanced новым радиоинтерфейсом с новыми технологиями доступа типа гетерогенных и mesh-сетей. Одним из основных направлений исследований станет разработка концепции сверхплотных сетей, а также перенос процесса обработки спектра в облака (облачные сети радиодоступа Cloud-RAN). Кроме того METIS займется вопросами превращения абонентских устройств в сетевые узлы, когда гаджеты начнут связываться между собой непосредственно, а не через базовую станцию, образуя тем самым гигантскую mesh-сеть.
В рамках программы FP8 (Horizon 2020) открыт проект 5G PPP (5G Public Private-Partnership) в форме государственно-частного партнерства Еврокомиссии с Ассоциацией 5G-Инфраструктуры. Индикаторными для данного проекта являются показатели эффективности сетей (расширение сервисных возможностей, увеличение скорости передачи данных в 1000 раз, снижение энергопотребления, создание плотной сетевой архитектуры для подключения более 7 трлн беспроводных устройств и обслуживания более 7 млрд абонентов и др.).
Проект 5GNOW (5G Generation Non-Orthogonal Waveforms for asynchronous signaling) посвящен главным образом поиску новых неортогональных методов множественного доступа, наиболее эффективных по сравнению с OFDMA.
В Международном союзе электросвязи (МСЭ) исследования в области 5G ведутся в Рабочей группе 5D (Working Party 5G). Ключевые направления исследований и планируемые документы МСЭ показаны на рис. 7 [6].
Динамика развития стандартов систем IMT в этот период показана на рис. 8 [7].
На рис. 9 схематично показано взаимодействие исследовательских работ в МСЭ, 3GPP и в рамках европейского проекта METIS [14].
Последние стандарты 3GPP определяют дальнейшее развитие LTE-Advanced, начало которому было положено в Rel'10. В первой половине прошлого года закончена разработка Rel'11. Новые ключевые решения заложены в очередном Rel'12 [3]: усовершенствование малых сот (Small Cell), дополнительные полосы радиочастот, 3D-MIMO/Beam forming, интерфейсы обмена между машинами (M2M) и устройствами (Device-to-Device), интеграция LTE-Wi-Fi на уровне радиосети. Завершение этого релиза планируется в декабре 2014 г.
Ключевым направлением, которое будет поддержано в ближайшее время, остается полная интеграция малых сот (Small Cell) в гетерогенных сетях HetNet, которая позволит резко увеличить их пропускную способность. В этой связи важной становится проблема снижения внутрисистемных помех между макро- и Small-сотами.
Дата выпуска последующего Rel'13 сегодня точно не определена, предполагается, что в части сети радиодоступа RAN его разработка будет закончена в декабре 2015 г. [3]. Очевидно, что эти сроки будут зависеть от прогресса Rel'12.
Сроки разработки Rel'14 и Rel'15, вероятно, будут зависеть от результатов Всемирной конференции радиосвязи ВКР-15, на которой будут определены дополнительные полосы и диапазоны радиочастот для IMT. Ожидается, что в этих релизах будет предложена совершенно новая технология радиодоступа для коммерческого использования в конце этого десятилетия [3], которая получила название FRA (Future Radio Access) – будущая сеть радиодоступа [5]. Для реализации такой сети необходим пересмотр требований к ее характеристикам в трех основных направлениях, как показано на рис. 10.
Всемирная конференция радиосвязи ВКР-15 рассмотрит новые полосы радиочастот для сетей IMT в диапазонах ниже 6 ГГц. Ожидается, что вопросы идентификации спектра в диапазонах выше 10 ГГц (порядка 18–49 ГГц) будут включены в повестку дня следующей конференции ВКР-18/19. Таким образом, более высокие частоты будут доступны на момент начального внедрения 5G, причем это должны быть непрерывные полосы радиочастот шириной от 1 ГГц в канале DL и 500 МГц в канале UL (проект METIS). В целом стратегия использования радиочастотного спектра для сетей 5G будет ориентирована на сверхплотные архитектуры сетей радиодоступа с новыми видами сигнально-кодовых конструкций.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #6, 2014
Посещений: 9878
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
