Рассмотрена одна из важнейших особенностей перспективных сетей 5-го поколения: использование миллиметрового диапазона частот. Статья основана на личном опыте автора, изучающего облик будущих сетей 5G в одном из ведущих европейских университетов и общения с людьми, непосредственно занимающимися этой областью.
Ввиду скудного количества технических публикаций на тему радиоинтерфейса 5G на русском языке (что очень печально), автор надеется, что статья будет полезна всем интересующимся.
Ожидается, что беспроводные технологии 5-го поколения (5G) начнут входить в нашу жизнь уже в 2020 году.
Им придется вывести качество предоставляемых услуг на совершенно новый уровень, и все это в условиях экспоненциального роста трафика в мобильных сетях и увеличение количества устройств, подключенных к таким сетям.
Важно отметить, что разработчики 5G думают о долгосрочной перспективе, о том, что будущий 5G будет настолько гибким и мощным, что сможет создать инфраструктуру для приложений, о которых мы сегодня только начинаем думать.
Например, ведутся исследования того, как 5G станет важным компонентом инфраструктуры беспилотных автомобилей в будущем.
На уровне концепции, разработанной в рамках европейского проекта METIS [1], предполагается, что три основные базовые услуги (родовые услуги 5G) предоставляются сетями 5G и отличаются разными требованиями к параметрам сети:
Сверхширокополосная мобильная связь (Extreme Mobile Broadband — xMBB); Массивная машинная связь (mMTC); Сверхнадежная межмашинная связь (Сверхнадежная МТС – uMTC).Последние два особенно важны в контексте модной сейчас концепции Интернета вещей.
Кстати, в начале июля стартовал второй этап проекта METIS-II, результаты которого определят более-менее окончательный облик сети радиодоступа 5G. 
В целом сама возможность таких весьма продвинутых инфраструктурных услуг должна будет основываться на четырех ключевых принципах [1]: «экономичный» подход к управлению сетью для снижения сигнального трафика и связанных с ним накладных расходов;
Гибкое подключение к сети, когда устройства выполняют не только терминальные, но и инфраструктурные функции;
Локализация контента для снижения нагрузки, задержек и возможности агрегации трафика;
Внедрение новых подходов к использованию частотных ресурсов.
1. Переход на миллиметровые волны – полностью направленная связь
В настоящее время среди разработчиков и исследователей достигнут консенсус, что будущие сети 5G перейдут (хотя и лишь частично) на СВЧ-диапазон частот (3-30 ГГц, 10-1 см) и, возможно, даже КВЧ (30-300 ГГц, 10-1 см).1 мм), [2].
Использование столь экзотических диапазонов частот для мобильной радиосвязи требует пересмотра принципов радиодоступа как на физическом, так и на MAC-уровне.
Для общего понимания ситуации в этом диапазоне ниже приведены графики, опубликованные в [3].
На первом графике видно, что в различных условиях дальность связи на частоте, скажем, 28 ГГц измеряется сотнями метров, хотя при использовании антенных систем с высоким коэффициентом усиления и при условии прямой видимости дальность может значительно увеличиться (по данным по некоторым данным, до 1-2 км на СВЧ-диапазон).
Кроме того, миллиметровые волны (ммволны) характеризуются заметным затуханием в атмосфере, как показано на следующем графике.
Что можно сказать о затухании на препятствиях? 
Таким образом, надежная связь в миллиметровом диапазоне требует использования узких лучей в условиях прямой видимости.
Или, как минимум, использование лучей, отраженных от предметов, находящихся в непосредственной близости от передатчика.
Рис.
из [4]: 
Очевидно, это в свою очередь влечет за собой широкое использование «сверхплотных» архитектурных решений (ультраплотных сетевых решений): фемто- и пикосот (для уменьшения необходимой дальности) в сочетании с остронаправленными антеннами как на передатчике, так и на приемнике, если последнее возможно (увеличить достижимую дальность и даже покрыть потребность по этому параметру в мелких ячейках).
В таком сценарии «полностью направленной связи», поддерживаемом еще и новыми протоколами уровня MAC (поскольку при работе в прямой видимости и на узком радиолуче протоколы доступа к среде меняются, но это тема отдельного разговора), разработчики приходят к новым концепциям сетевая архитектура с ограниченным шумом (сетевая архитектура с ограничением шума) вместо архитектуры с ограничением помех, принятой сегодня, а также ориентированный на пользователя дизайн (ориентированный на пользователя дизайн) вместо сегодняшнего дизайна, ориентированного на ячейки (или секторы).
[4].
Наконец, из-за узконаправленного и динамичного характера будущих сетей 5G, само понятие «клетка» также будет пересмотрено (об этом речь пойдет ниже).
2. Многоэлементный MIMO — еще одна ключевая технология.
Из-за коротких волн миллиметрового диапазона системы 5G могут использовать антенные системы меньшего размера.
В частности, особый интерес и усилия сегодня сосредоточены на технологиях многоэлементных антенн MIMO (Massive-MIMO).
Использование таких антенных технологий позволяет эффективно решать проблемы полнонаправленной радиосвязи и помех.
С другой стороны, необходимость работы в столь высоких диапазонах влечет за собой увеличение стоимости и усложнение конкретных схемотехнических решений.
На рис.
показан первый прототип многоэлементной MIMO-системы с более чем 100 элементами (видимо, простые патч-антенны), (взято отсюда www.designworldonline.com/a-new-way-to-accelerate-5g-research ): 
3. Проблемы полнонаправленной мобильной связи и возможные пути их решения.
Однако полнонаправленная радиосвязь имеет два существенных ограничения: Перекрытие каналов прямой видимости (Закупорка) из-за различного рода препятствий на маршруте.
Чтобы преодолеть эту неприятную ситуацию, необходимо найти альтернативные пути передачи сигнала, как используя методы формирования диаграммы направленности для работы с отраженным лучом, так и используя новые подходы к передаче обслуживания и отслеживанию абонента в движении.
Например, сеть может осуществлять связь с мобильной станцией (MS) через несколько базовых станций (BS) одновременно.
"Глухота" (Глухота).
Узкие основные лепестки диаграмм направленности антенн на МС и БС должны быть направлены точно друг на друга, иначе они просто не будут «слышать» друг друга.
Решение этой проблемы выглядит более сложным, поскольку требует новых подходов к процедурам установления соединения.
Например, в современных сетях формирование узкого луча диаграмм направленности происходит только после синхронизации с использованием всенаправленного канала управления в УКВ-диапазоне.
Однако в сетях 5G такая стратегия приведет к проблемам из-за разной дальности связи и (что более важно) разных условий распространения сигнала в двух разных диапазонах ОВЧ и СВЧ.
4. Пересмотр принципов планирования
Классическое понимание ячейки или сектора, основанное на критерии минимального расстояния и предположении о равномерном распределении вероятностей положения абонентов в зоне покрытия, становится практически бесполезным из-за следующих фундаментальных факторов: Уплотнение инфраструктуры, особенно в городских районах; Радиосвязь высокой направленности; Неоднородность в радиосетях.Сети 5G предоставят больше степеней свободы в плане доступа к ресурсам, а это значит, что параметры ячеек/секторов и, в частности, их границы будут определяться алгоритмами.
динамическая оптимизация максимизировать/минимизировать некоторую целевую функцию.
В соответствии с требованиями к качеству обслуживания такая целевая функция системы может определяться следующими параметрами сети (или их комбинацией): задержка, надежность, энергопотребление, скорость передачи данных, равномерность качества обслуживания абонентов, и т. д. 
При этом предполагается, что решение о том, какую функцию системы следует оптимизировать, будет приниматься исходя из того, какой услугой пользуется абонент в данный момент времени.
Таким образом, конфигурация сети, отвечающая требованиям конкретного сервиса.
Может быть будет осуществляться не оператором связи, а непосредственно поставщиком услуг через API в рамках концепции Software Defined Wireless Networking (SDWN).
5. Вывод
Судя по всему, оптимальным подходом будет тот, при котором сети 5G будут адаптивно использовать преимущества как «нового», так и «старого» диапазона.Это также соответствует другому принципу 5G — неоднородность .
С другой стороны, такой подход обеспечит взаимодействие с существующими системами беспроводного доступа.
Ссылки
[1] Результат D 8.4 METIS, «Окончательный отчет проекта METIS», 30 апреля 2015 г.[2] Результат D 2.4 METIS, «Предлагаемые решения для нового радиодоступа», 28 февраля 2015 г.
[3] Т.
С.
Раппапорт и др.
, «Мобильная связь миллиметрового диапазона для сотовой связи 5G: это будет работать!», IEEE Access, vol. 1 мая 2013 г.
, стр.
335–49. [4] Х.
Шокри-Гадиколаи, К.
Фишионе и др.
, «Сотовые сети миллиметрового диапазона волн: перспектива уровня MAC», представлено в IEEE Transactions on Communications 3 марта 2015 г.
Теги: #5G #massive-MIMO #Разработка систем связи
-
Как Открыть Файлы Mdb Без Ms Access?
19 Oct, 24 -
Utorrent 2.0, Мы Торопились С Utp
19 Oct, 24 -
Счастливый Градиент
19 Oct, 24
