Особенности оценки условий ЭМС для сетей 5G. Часть 2

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).
(Часть 1)

Ключевые решения и технологические компоненты сети радиодоступа 5GNR:

• использование новых форм сигнала, получивших название Non-OrthogonalWaveformи дающих выигрыш в спектральной эффективности по отношению к OFDM;
• применение полного дуплекса FD(FullDuplex) - одновременной передачи и приема в общей полосе частот, преимущественно в коротких соединениях "точка-точка" (D2D, V2V);
• применение, так называемых, "массивных" (многомерных) антенн MIMO, в которых эффективно реализуется режим динамического формирования направленных лучей для передачи (3D/Beamforming), позволяющий увеличить энергетический выигрыш в ожидаемых высоких диапазонах частот и улучшить покрытие и спектральную эффективность в ультра-плотных малых сотах;
• применение малых сот SmallCellсо сверхплотным распределением (один приемо-передатчик на каждого пользователя), разгружающих макросоты сети с разделением сред передачи команд управления и пользовательского трафика между макро- и Small-сотами в разных полосах частот (концепция "PhantomCell").

К числу специфических решений в концепции будущей сети радиодоступа FRA (FutureRadioAccess) следует отнести новые неортогональные методы радиодоступа NOMA (Non-orthogonalmultipleaccess) и формы сигнала. В этойконцепции предусматривается более эффективное комплексное применение нескольких форм неортогональных сигналов и методов множественного доступа (рис. 5). Дело в том, что ортогональный метод OFDMAбыл принят в LTEпо соображениям снижения внутрисистемных помех и простоты обработки сигналов в абонентских устройствах, но имеет недостаток. Этот недостаток связан в основном с невозможностью достичь максимальных пользовательских скоростей передачи данных при одновременном обслуживании нескольких абонентов, а в контексте новых требований для 5G–  становится особенно существенным. Кроме того, распределение ортогонального ресурса требует строгой синхронизации, что сопряжено с дополнительными временными задержками в радиоинтерфейсе, неприемлемыми в случаях многочисленных соединений в реальном масштабе времени, которые были отмечены в начале статьи.

Рис.5. Неортогональные формы сигнала и методы множественного доступа

Фокус исследовательских работ в рамках 5Gсосредоточен именно на поиске новых неортогональных методов, содержащих потенциал для более эффективного использования ресурсов сети. Ниже приведена их краткая характеристика.

FBMC (Filter-BankMulti-CarrierModulation) и GFDM(GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing) – формы сигнала, полученные методом частотного мультиплексирования с множеством несущих, сформированных с использованием банка (гребенки) частотных фильтров. Воснове FBMC и GFDMлежит дополнительная процедура фильтрации многочастотного сигнала перед выполнением преобразования Фурье, она позволяет существенно подавить внеполосное излучение и повысить спектральную эффективность многочастотного сигнала (рис. 6). При FBMCспектры поднесущих частот перекрываются, что дает основание отнести сигнал к неортогональной форме (Non-OrthogonalWaveform).

UFMC(UniversalFilteredMulticarrier) – аналогичный неортогональный сигнал, отличающийся от предыдущих сигналов тем, что фильтрации подвергаются группы из нескольких поднесущих частот.

 
Рис.6. Новые формы сигналов 5G

Фильтрация и показанное неортогональное размещение поднесущих многочастотного сигнала обеспечивают более компактные их энергетические спектры и меньшие уровне внеполосных излучений, как показано на рис. 7. Такие сигналы дают выигрыш в спектральной эффективности по отношению к сигналам OFDM.

 
Рис.7. Спектры новых сигналов

Наряду с неортогональными формами сигнала рассматриваются и новые неортогональные методы радиодоступа (NOMA, Non-orthogonalmultipleaccessи SCMA, SparseCodeMultipleAccess), показанные на рис. 5.

NOMA строится на развитии алгоритмов эффективной компенсации внутрисистемных помех, позволяющих применять неортогональный метод множественного доступа [3]. Возникающие при этом внутрисистемные помехи могут быть скомпенсированы за счет мультиплексирования пользовательских каналов при учете различий потерь на трассе распространения сигнала каждого пользователя.  

SCMA– неортогональный метод, при котором мультиплексирование каналов осуществляется посредством так называемых прореженных кодовых слов (Codeword) из некоторого набора кодовых книг (CodeBK), как показано на              рис. 8. За счет этого происходит кодовое разделение каналов (подобно 3G), но с меньшей степенью неортогональности, чем в W-CDMA[3,4].

Рис.8. Принцип множественного доступа SCMA

Радиочастоты для сетей 5G

Это одна из главных компонент, которая оказывает существенное влияние на ЭМС.
На Всемирной конференции радиосвязи ВКР-15 были определены новые диапазоны радиочастот для 5G, в том числе диапазоны сантиметровых и миллиметровых волн. В общем этот радиочастотный спектр размещен в трех областях: ниже 1 ГГц, от 1 ГГц до 6 ГГц и выше 6 ГГц (вплоть до 100 ГГц). На рис. 9 показаны указанные области, особенности их использования (виды дуплекса, ширина канала и тип сот), как показано на рис. 9. 

Рис.9. Радиочастотный ресурс 5G

В качестве главных особенностей этого спектра с точки зрения ЭМС можно выделить следующее: возможность использования широкой непрерывной полосы канала (суммарно до 1-2 ГГц); малые зоны обслуживания (дальность излучения) в малых (Small) и ультра-малых (UltraSmall) сотах; возможность использования малогабаритных многоэлементных антенн massiveMIMOс узкими лучами (рис. 10) как в базовых станциях, так и в абонентских устройствах; разный характер потерь при распространении сигнала, в частности, значительное влияние на уровень потерь дополнительных ранее неизвестных в сотовой связи факторов (газы – кислород О2, водяные пары Н2О и др., рис. 11).

 
Рис.10. 3D-излучение антенн massiveMIMO

 
Рис.11. Потери (ослабление) сигнала в высоких диапазонах радиочастот

В целом стратегия использования радиочастотного спектра в сетях 5Gбудет ориентирована на сверхплотные архитектуры сетей радиодоступа с новыми видами сигнально-кодовых конструкций, описанных выше.

В этой связи особую важность приобретает выбор моделей потерь (моделей канала) для оценок по ЭМС. Существующие модели, как правило, лишены трехмерных 3D-компонент. В рамках 3GPPразработана 3D-модель канала [5-7]. 

Касаясь темы особенностей ЭМС, необходимо упомянуть и такие особенности 5G, как динамический режим TDDс адаптивным переключением DL/ULв малых сотах - один из потенциальных источников групповой помехи; ретрансляторы в сочетании с многопользовательским MIMO- как случай снижения уровня пространственно-ориентированных помех, а также высокая динамика перемещения передающих станций при двойной мобильности (V2V, D2D).

Влияние особенностей радиоинтерфейса 5Gна ЭМС

Анализ главных особенностей радиоинтерфейса 5G, которые были описаны выше, позволяет указать на ожидаемые особенности процедур оценки условий ЭМС для будущих сетей. Эти особенности главным образом будут касаться учета суммарной помехи от сети при ее особой архитектуре и динамике изменений, выбора новых моделей потерь (моделей канала) при пространственно-распределенном излучении многомерных антенн MIMOи разнородной среде распространения сигнала, а также учета спектральных свойств новых форм сигнала и характера излучения при новых неортогональных методах радиодоступа. Данные особенности проиллюстрированы на рис. 12.

Рис. 12. Основные особенности оценки ЭМС для сетей 5G

Заключение

Анализ известных сегодня технических решений построения радиоинтерфейсов 5Gпозволяет указать ключевые особенности процедур оценки условий электромагнитной совместимости для новых сетей 5G, которые необходимо учесть при заблаговременной подготовке методик по ЭМС.

Литература

1. 1. Dr. ShahramG. Niri. Toward 5G. LTE World Summit 2013. – 5G Innovation Centre, University of Surrey. June 2013.
2. Eric Hardouin. 5G: an operator’s perspective. – Orange Labs. LTEWorldSummit. 25 June 2013.
3. Скрынников В.Г. 5G: Облик будущих систем мобильной связи. Часть 1. – Технологии и средства связи. №6, 2014.
4. Скрынников В.Г. 5G: Облик будущих систем мобильной связи. Часть 2. – Технологии и средства связи. №1, 2015.
5. Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика. – М.: Спорт и Культура-2000, 2012.
6. 3GPP TR 25.996. Spatial Channel Model for MIMO Simulations. (Rel’15). 2018.
7. 3GPP TR 36.873. Study on 3D channel model for LTE. (Rel’12). 2017.