Файл: Монография г. Рыбница 2019 2 Рецензенты.pdf

128 базовой станции и их фактически можно считать прообразом современных сотовых сетей.
Теоретическую базу для обмена маломощными радиосигналами в рамках сот с антенной в их центре разработали ещё в конце 50-х годов.
Однако, технически реализовать описанную схему получилось лишь спустя
10 лет, когда стало возможно осуществлять связь между соседними сотами. В начале 70-х годов всё та же компания Motorolla разработала первый мобильный телефон, а со временем совместно с AT&T организовала первую сотовую сеть на территории США.
К концу 70-х – началу 80-х годов собственные сотовые сети появились в Японии и на севере Европы (Норвегия, Дания, Швеция и Финляндия). Все они были сетями первого поколения, которое отличалось использованием только аналоговой частотной модуляции для приёма и передачи сигнала в диапазоне частот от 170 до 900 МГц (мегагерц).
С тех пор как спутниковая связь, телевидение и радиопередача перешли на широкую мобильную телефонную связь, беспроводная связь изменила стиль, в котором работает общество. Эволюция беспроводной связи показывает развивающиеся поколения беспроводных технологий с точки зрения скорости передачи данных, мобильности, покрытия и спектральной эффективности. По мере развития беспроводных технологий скорость передачи данных, мобильность, покрытие и спектральная эффективность возрастают. Например, технологии 1G и 2G используют коммутацию каналов, в то время как 2.5G и 3G используют коммутацию каналов и пакетов, а в следующих поколениях от 3.5G до настоящего времени, то есть
5G, используется коммутация пакетов. Наряду с этими факторами, используется также понятие
«лицензированный спектр» и
«нелицензированный спектр». Все развивающиеся поколения используют лицензированный спектр, в то время как WiFi, Bluetooth и WiMAX используют нелицензированный спектр.
128

129
Эволюция беспроводных технологий. Сети стандарта 1G. Первое поколение было объявлено в начале 1980-х годов. Скорость передачи данных до 2,4 кбит/с. Данный стандарт обладает множеством недостатков, таких как пропускная способность ниже номинальной, низкий уровень обслуживания, плохие голосовые ассоциации и отсутствие защиты, поскольку голосовые вызовы сохраняются и воспроизводятся в радиовышках, из-за чего повышается уязвимость этих вызовов от нежелательного прослушивания третьей стороной.
Сети стандарта 2G. Переход от 1G к 2G начался в 90-х годах уже прошлого века и был сопряжён с рядом трудностей. Дело в том, что к тому времени у уже существовавших аналоговых сетей первого поколения было довольно много пользователей. Поэтому пришлось модернизировать всю систему так, чтобы существовала поддержка и аналоговых, и цифровых режимов работы одновременно.
Глобальные системы мобильной связи (GSM) были первой системой 2- го поколения, в основном используемой для голосовой связи и имеющей скорость передачи данных до 64 кбит/с. Основными нововведениями GSM стала поддержка SIM-карт (ранее в других системах номер телефона и зависимость от оператора задавались на уровне прошивки) и роуминга
(возможности подключаться к сетям других операторов того же стандарта вещания). Изначально GSM использовал частоту 900 МГц (точнее, диапазон
890 – 960 МГц), однако, со временем включил в себя частоты 1800 МГц
(1710 – 1880 МГц), а также 850 МГц (824 – 894 МГц) и 1900 МГц (1850 –
1990 МГц) (американо-канадский стандарт). Стандарт 2G также предоставлял такие услуги, как служба коротких сообщений (SMS) и электронная почта. Жизненно важными технологиями были GSM, множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) и IS-95.
Сети стандарта 2.5G. Фактически большинство современных мобильных сетей на постсоветском пространстве и в Европе работает на базе стандарта GSM с различными улучшениями и обновлениями. Такие
129

130 улучшения в большей степени касаются не столько улучшения качества голосовой связи, сколько развития возможности передачи данных через виртуальный канал мобильной связи.
Система 2.5G обычно использует системные структуры 2G, но она применяет коммутацию пакетов вместе с коммутацией каналов. Это способствовало увеличению скорости передачи данных до 144 кбит/с.
Основными технологиями 2.5G были GPRS(General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования), которая позволила реализовать пакетную передачу данных; повышенная скорость передачи данных для развития GSM (EDGE) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) 2000. Теоретическая максимальная пропускная способность
GPRS составляла 50 кбит/с, но это уже дало возможность, пусть и не очень быстро, но получать доступ к привычному Интернету, который в то время вступил в фазу активного развития. Данная технология оказалась столь значительной, что часть специалистов даже выделили для её отличия от остальных технологий 2G термин 2.5G.
Сети стандарта 3G.Третье поколение было создано в конце 2000 года.
Скорость передачи данных достигает 2 Мбит/с. Системы третьего поколения объединяют высокоскоростной мобильный доступ к услугам на основе протокола Интернет (IP). Помимо скорости передачи, было сделано нетрадиционное улучшение для поддержания QoS. Дополнительные удобства, такие как глобальный роуминг и улучшенное качество голоса, сделали 3G выдающимся поколением. Основным недостатком мобильных телефонов 3G является то, что они требуют большей мощности, чем большинство моделей 2G. Наряду с этим планы сети 3G дороже, чем 2G.
Поскольку 3G включает в себя внедрение и использование технологий широкополосного множественного доступа с кодовым разделением
(WCDMA), универсальных систем мобильной связи (UMTS) и множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) 2000, развивающиеся технологии, такие как высокоскоростной пакетный доступ по
130

131 восходящей / нисходящей линии связи (HSUPA / HSDPA) ) и Evolution-Data
Optimized (EVDO) создали промежуточную беспроводную генерацию между
3G и 4G с именем 3.5G с улучшенной скоростью передачи данных 5-30
Мбит/с.
Сети стандарта 3.75G. Технология долгосрочного развития (LTE) и фиксированная всемирная совместимость для микроволнового доступа
(WIMAX) – это будущее услуг мобильной передачи данных. LTE и фиксированный WIMAX потенциально могут расширить пропускную способность сети и предоставляют значительному числу пользователей возможность доступа к широкому спектру высокоскоростных услуг, таких как видео по запросу, обмен файлами между равноправными узлами и составные веб-службы.
Сети стандарта 4G. 4G обычно называют потомком стандартов 3G и
2G. Партнерский проект 3-го поколения (3GPP) в настоящее время стандартизирует технологию Long Term Evolution (LTE) Advanced в качестве готовящегося стандарта 4G наряду с совместимостью мобильной связи во всем мире для микроволнового доступа (WIMAX). Высокие скорости и большая ёмкость соты в WiMAX достигается благодаря широкой полосе используемого высокочастотного диапазона (1.5-11 ГГц). Поэтому технологию можно применять не только для телекоммуникационных нужд, но также для создания объединённой сети разрозненных точек доступа WiFi, организации различных систем удалённого мониторинга и контроля, а также реализации зоны покрытия мобильной связи и Интернет в труднодоступных местах.
На сегодняшний день сети WiMAX ещё только вводятся в эксплуатацию в развитых странах, в том числе в России (оператор Скартел) и
Казахстане (проект FlyNet). Система 4G улучшает существующие сети связи, предлагая полное и надежное решение на основе IP. Абонентам предоставляются такие сервисы, как передача голоса, данных и мультимедиа, в любое время и повсеместно, а также при более высоких скоростях передачи
131

132 данных по сравнению с предыдущими поколениями. Приложениями, которые создаются для использования сети 4G, являются служба мультимедийных сообщений (MMS), цифровое видеовещание (DVB) и видеочат, ТВ-контент высокой четкости и мобильное телевидение.
Сети стандарта 5G. С экспоненциальным ростом спроса со стороны пользователей 4G будет заменен на 5G с передовой технологией доступа, называемой множественным доступом с разделением лучей (BDMA) и множественным доступом с несколькими несущими и квазиортогональными или множеством несущих фильтров (FBMC). Концепция, лежащая в основе технологии BDMA, поясняется с учетом случая, когда базовая станция осуществляет связь с мобильными станциями. В этой связи ортогональный луч распределяется для каждой мобильной станции, и метод BDMA будет делить этот луч антенны в соответствии с местоположением мобильных станций для предоставления множественного доступа мобильным станциям, что соответственно увеличивает пропускную способность системы [12].
Идея смещения в сторону 5G основана на текущих вызовах.
Предполагается, что сотовые сети 5G должны решать шесть задач, которые не решаются эффективно 4G, то есть более высокая емкость, более высокая скорость передачи данных, более низкая сквозная задержка, широкие возможности подключения устройств, сниженная стоимость и постоянное обеспечение качества связи. Благодаря комбинации этих параметров станет возможным активное использование интернета вещей в различных отраслях, работа беспилотного транспорта, развитие сервисов телемедицины, появятся сервисы с использованием технологий виртуальной и дополненной реальности в различных сферах (культура, образование, строительство), сервисы с использованием искусственного интеллекта.
Разработкой технологии 5G в настоящее время занимаются ведущие международные и национальные органы стандартизации. Эта новая фаза эволюции мобильных телекоммуникационных стандартов выходит за пределы текущей фазы развития 4G/IMT-Advanced, неся с собой повышение
132

133 на порядок функциональных возможностей, скорости передачи данных и других технических критериев. В 5G аналитики видят не только технологию, но и интеллектуальную платформу, которая в сочетании с искусственным интеллектом обеспечит сверхбыструю технологию радиодоступа, низкую задержку и более надежную мобильную связь, способную справляться с постоянно растущими требованиями к передаваемым данным для нужд цифровой экономики.
Ключевое преимущество технологии сотовой связи пятого поколения в том, что она позволяет осуществлять обработку больших объемов данных и улучшать их точность во всех отраслях экономики. Это актуально для транспортной отрасли, где технология на высокоскоростном транспорте позволит передавать данные даже при скоростях порядка 500 км/ч, на беспилотниках (например, роботах, автомобилях, дронах).
Сети пятого поколения позволяют увеличить скорость обмена информацией в десятки раз, что создаст условия для развития и внедрения новейших цифровых технологий.
Развитие Интернета вещей напрямую зависит от технологии 5G: благодаря сети пятого поколения можно будет развернуть тысячи датчиков интеллектуальных приборов учета электроэнергии или оборудования на производстве, сенсоры «умного освещения» или систем безопасности в городе.
Новые сервисы с использованием 5G могут быть реализованы в сфере медицины для организации удаленного мониторинга состояния пациентов и проведения операций с использованием робота, передачи медицинских данных.
В сельском хозяйстве, ритейле, промышленности и других сферах
5G даст возможность использовать большее число промышленных роботов и дронов, общающихся между собой на дальних расстояниях с высокой скоростью передачи данных.
133

134 5G будут актуальны также в логистике, при перемещении в портах большого количества товаров на единицу времени.
Архитектура сотовой сети 5G. Чтобы рассмотреть сеть 5G на рынке сейчас, очевидно, что методы множественного доступа в сети почти остановились и требуют внезапного улучшения. Современные технологии, такие как OFDMA, будут работать как минимум в течение следующих 50 лет.
Более того, нет необходимости вносить изменения в настройку беспроводной сети, которая произошла с 1G до 4G. В качестве альтернативы, может быть только добавление приложения или улучшение в основной сети, чтобы удовлетворить требования пользователя. Это провоцирует провайдеров пакетов на дрейф для сети 5G, как только 4G будет коммерчески установлен
[4]. Чтобы удовлетворить требования пользователя и преодолеть проблемы, выдвинутые в системе 5G, необходимо кардинально изменить стратегию проектирования архитектуры беспроводной сотовой связи 5G. Общее наблюдение исследователей показало, что большинство пользователей беспроводной связи остаются внутри в течение приблизительно 80 процентов времени и снаружи в течение приблизительно 20 процентов времени. В существующей архитектуре беспроводной сотовой связи для мобильного пользователя для связи, будь то внутри или снаружи, внешняя базовая станция, присутствующая в середине соты, помогает в связи. Таким образом, чтобы внутренние пользователи могли общаться с внешней базовой станцией, сигналы должны будут проходить через стены внутри помещения, и это приведет к очень высоким потерям проникновения, что, соответственно, приведет к снижению спектральной эффективности, скорости передачи данных и эффективности использования энергии. Чтобы преодолеть эту проблему, возникла новая идея или методика проектирования для построения схемы сотовой архитектуры 5G, заключающаяся в различии внешних и внутренних установок. При таком методе проектирования потери на проникновение через стены здания будут немного уменьшены. Эта идея будет поддерживаться с помощью массивной технологии MIMO, в которой
134

135 развернуты географически рассредоточенные антенные решетки с десятками или сотнями антенных блоков. Поскольку нынешние системы MIMO используют две или четыре антенны, задача создания массивных систем
MIMO сводится к идее использования преимуществ антенных элементов с большой решеткой с точки зрения огромного прироста емкости [2].
Чтобы построить большую массивную сеть MIMO, сначала внешние базовые станции должны быть оснащены большими антенными решетками, и некоторые из них распределены вокруг шестиугольной ячейки и соединены с базовой станцией через оптоволоконные кабели с помощью массивных технологий MIMO. Мобильные пользователи, присутствующие снаружи, обычно оснащены определенным количеством антенных блоков, но при сотрудничестве может быть создана большая виртуальная антенная решетка, которая вместе с антенными решетками базовой станции образует виртуальные массивные линии MIMO. Во-вторых, в каждом здании будут установлены большие антенные решетки снаружи, для связи с внешними базовыми станциями с помощью компонентов прямой видимости. Точки беспроводного доступа внутри здания соединены с большими антенными решетками с помощью кабелей для связи с пользователями внутри помещений. Это значительно повысит энергоэффективность, среднюю пропускную способность соты, скорость передачи данных и спектральную эффективность сотовой системы, но за счет увеличения стоимости инфраструктуры. С введением такой архитектуры внутренним пользователям придется только подключаться или взаимодействовать с внутренними точками беспроводного доступа, в то время как большие антенные решетки оставались установленными вне зданий. Для связи внутри помещений некоторые технологии, такие как WiFi, малогабаритная сотовая связь, сверхширокополосная связь и связь миллиметрового диапазона полезны для связи на малых расстояниях с большой скоростью передачи данных. Но такая технологии, как миллиметровая волна использует более высокие частоты, которые обычно не используются для сотовой связи. Но нецелесообразно
135

136 использовать эти высокочастотные волны для внешних и дальних применений, потому что эти волны не будут эффективно проникать из плотных материалов и могут легко рассеиваться каплями дождя, газами и растительностью. Тем не менее, миллиметровые волны могут повысить скорость передачи данных для внутренних установок, поскольку они имеют широкую полосу пропускания. Наряду с введением нового спектра, который обычно не используется для беспроводной связи, существует еще один метод решения проблемы нехватки спектра путем улучшения использования спектра текущих радиоспектров через сети когнитивного радио (CR).
Поскольку сотовая архитектура 5G является неоднородной, она должна включать макроэлементы, микроэлементы, небольшие ячейки и реле.
Концепция мобильной сотовой связи является неотъемлемой частью беспроводной сотовой сети 5G и частично включает в себя концепции мобильной ретрансляции и малых сотовых сетей. Он вводится для размещения пользователей с высокой мобильностью, которые находятся внутри автомобилей и скоростных поездов. Мобильные маленькие ячейки расположены внутри движущихся автомобилей для связи с пользователями внутри автомобиля, в то время как массивный блок MIMO, состоящий из больших антенных решеток, размещен снаружи автомобиля для связи с внешней базовой станцией. По мнению пользователя, мобильная небольшая ячейка реализована как обычная базовая станция, и все ее смежные пользователи рассматриваются как единое целое с базовой станцией, что подтверждает приведенную выше идею разделения внутренних и наружных установок. Мобильные пользователи малых сотовых сетей имеют высокую скорость передачи данных для служб со скоростью передачи данных со значительно сниженными издержками на передачу сигналов.