Файл: Концепция создания и развития сетей 5Gimt2020 в Российской Федерации.pdf
Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 201
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1 Определение основных характеристик сетей 5G/IMT-2020 и их
сопоставление с действующими сетями IMT
1.1 Общее описание услуг и сервисов, предполагаемых для предоставления
на сетях 5G/IMT-2020
Существующие сети 4G не позволяют в требуемой мере обеспечить новые потребности абонентов в инновационных услугах подвижной связи. При этом операторы столкнулись с недостаточной гибкостью сетей связи, увеличением их сложности и ростом стоимости их эксплуатации. Технологии 5G/IMT-2020, позволяющие нивелировать указанные недостатки, являются закономерным этапом развития сетей подвижной связи.
Международный союз электросвязи МСЭ-R определил показатели главных эксплуатационных характеристик сети, достижение которых позволяет отнести ее к сети 5-го поколения:
- увеличение пропускной способности сети (рост скорости передачи данных в 10-100 раз в расчете на абонента - до 10 Гбит/с (DL) и до
5 Гбит/с (UL);
- обеспечение роста потребляемого трафика в расчете на 1 абонента (рост в
1000 раз) – до 500 Гб на пользователя в месяц;
- увеличение количества подключаемых абонентских устройств в соте в 10-100 раз - до 300 000 на узел и до 1 миллиона устройств на 1 км
2
;
- уменьшение сквозной задержки передачи данных в сети с 10 мс до 1 мс;
- рост спектральной эффективности радиоинтерфейса до 3 раз;
- многократное увеличение времени автономной работы абонентских устройств с небольшим энергопотреблением, таких как сенсоры IoT/М2М/D2D – до10 лет;
- снижение стоимости эксплуатации и энергопотребления сетей
5G/IMT-2020 до 10 раз по сравнению с сетью 4G.
Услуги, предоставляемые сетью связи 5G/ IMT-2020, классифицированы
МСЭ-R на 3 группы:
Первая группа: усовершенствованная подвижная широкополосная связь
(еMBB). Эта группа услуг охватывает сценарии использования, ориентированные на человека и обеспечивающие доступ к мультимедийному контенту, услугам и данным (аналогична услугам, предоставляемым в настоящее время сетями LTE).
К таким услугам относятся: Ultra HD и видео, 3D видео, в том числе в реальном времени, онлайн игры, виртуальная реальность (возможные области применения: образование, развлечения, здравоохранение, военная промышленность),
13 расширенные сервисы социальных сетей, облачные сервисы (возможные области применения: государственные услуги, бизнес приложения, вычисления), голос, в том числе потоковый, музыка в реальном времени, вещание MBMS.
Для качественной поддержки этих услуг должны обеспечиваться мультигигабитные скорости передачи данных. В сценариях для еМВВ высокое значение имеют практическая пользовательская скорость передачи данных, трафик на единицу площади, пиковая скорость передачи данных, мобильность, энергоэффективность и эффективность использования спектра.
Вторая группа: крупномасштабные системы межмашинной связи (MIoT).
Данный сценарий использования характеризуется большим количеством подключенных устройств, передающих относительно небольшой объем данных, не столь чувствительных к задержке. Для качественной поддержки этих услуг необходимо обеспечить низкую стоимость абонентских устройств при поддержке большой зоны охвата и продолжительного времени работы устройства от батареи.
Основные области применения: энергетика, транспорт, здравоохранение, торговля, общественная безопасность, промышленность, ЖКХ, беспилотные транспортные средства. Сценариям MIoT свойственны высокая плотность соединений и необходимость поддержания корректного функционирования большого количества устройств в сети. Для реализации данного сценария важны низкая стоимость устройства и его энергоэффективность.
Третья группа: сверхнадежная передача данных с малой задержкой (URLLC).
В данном сценарии использования предъявляются жесткие требования к таким показателям функционирования сети, как пропускная способность, задержка и готовность. К таким услугам относятся беспроводное управление промышленными и производственными процессами (роботизация), дистанционная медицина, в частности, хирургия, автоматизация распределения энергии в "умных" электросетях, общественная безопасность, «умные» дома и города, применение интеллектуальных транспортных средств и внедрение интеллектуальной дорожной инфраструктуры на базе V2X и т.д. В некоторых сценариях URLLC высокое значение имеет низкая задержка для того, чтобы обеспечить работу критически важных служб безопасности, а также высокий уровень мобильности в сфере услуг безопасности перевозок.
В таблице 1.1 показаны потенциальные требования к некоторым применениям типов услуг 5G/IMT-2020 и возможность их реализации с использованием существующих сетей.
14
Для реализации на сети мобильной связи пятого поколения перечисленных выше трех основных групп услуг сети 5G/IMT-2020 должны обладать следующими характеристиками:
- гибкость использования спектра и ширины полосы – возможность проектирования системы связи по отношению к различным спектральным сценариям, и, в частности, к возможности функционировать в различных диапазонах частот;
- надежность - способность обеспечить работу услуги с очень высоким коэффициентом готовности (где под коэффициентом готовности подразумевается вероятность того, что сеть окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени);
- устойчивость - способность сети сохранять работоспособное состояние во время и после влияния внешних воздействий (чрезвычайные ситуации, аварийное отключение электроэнергии и т.п.);
- безопасность и конфиденциальность - способность обеспечивать шифрование и защиту целостности абонентских данных, предотвращение несанкционированного доступа, защиту сети от взлома, мошенничества и т.д.;
- энергоэффективность - способность обеспечивать заданное время работы, обеспечиваемое накопленной энергетической емкостью. Это особенно важно для
М2М-устройств, которым необходим продолжительный срок службы аккумулятора (например, более 10 лет), так как их постоянное техническое обслуживание затруднено физическими или экономическими причинами.
15
Таблица 1.1 Требования к некоторым применениям типов услуг 5G/IMT-2020 и возможность предоставления услуг на существующих сетях
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Сверхшироко- полосная мобильная связь
(еMBB)
Передача видео со сверхвысоким разрешением
(4К, 8К), 3D видео
(в т.ч. широковещательные услуги)
Сверхвысокая скорость радиосоединения, низкая задержка (видео реального времени).
Задержка ≤ 200 мс
1. LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
)
2. От 100 Гбит/с/км
2
до 1000
Гбит/с/км
2
– только сети
5G/IMT-2020
Ограниченное
Виртуальная реальность
(применение VR в производстве, телеприсутствие и прочие VR-сервисы).
Дополненная реальность
Сверхвысокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка
1. LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
) и требованиях по задержке до 7 мс.
2. Требования по скорости свыше
4 Гбит/с и задержке ≤ 2 мс – только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Тактильный интернет
Сверхнизкая задержка
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Игры в облаке
(VR-сервисы с коммуникациями)
Сверхвысокая скорость радиосоединения.
Низкая задержка ≤ 7 мс
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Мобильная «последняя миля» - альтернатива оптической линии связи до квартиры
Высокая скорость радиосоединения до 150 Мбит/с
LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
)
Ограниченное
Беспроводная связь в высокоскоростных поездах
Скорость до 500 км/ч.
Задержка ≤ 10 мс
LTE Advanced - возможно
Отдельные транспортные артерии
Услуги передачи данных в условиях высокой концентрации абонентов
Суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
16
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Массовая межмашинная связь
(MIoT)
Подключенные счетчики воды, электроэнергии и пр.
Возможность преодоления препятствий
LTE Advanced - возможно – до 100 тыс. устройств на кв. км.
Региональное или федеральное
Умный дом
(подключенные бытовые устройства и пр.)
Возможность преодоления препятствий
LTE Advanced - возможно – до 100 тыс. устройств на кв. км.
Региональное или федеральное
Умный офис
Функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, возможность преодоления препятствий, высокая надежность радиосоединения
LTE Advanced - возможно – до 100 тыс. устройств на кв. км.
Региональное или федеральное
Умный город
(системы видеонаблюдения и пр.)
Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий, высокая надежность радиосоединения, возможность преодоления препятствий
1. LTE Advanced - возможно – до
100 тыс. устройств на кв. км.
2. Полномасштабный «Умный город» в крупных городских агломерациях с высокой плотностью населения – только сети 5G/IMT-2020
Городское
Сенсорные сети
(промышленные, коммерческие и т.д.)
Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий, Mesh сеть
1. LTE Advanced - возможно – до
100 тыс. устройств на кв. км.
2. Сценарии со сверхвысокой концентрацией датчиков IoT в отдельных зонах (производство, инфраструктура) – только сети
5G/IMT-2020
Ограниченное
17
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Массовая межмашинная связь
(MIoT)
Удаленный контроль перевозок
(мониторинг транспортных средств)
Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий
LTE Advanced - возможно
Региональное или федеральное
Сверхнадежная связь
(URLLC)
Частичная промышленная автоматизация, мониторинг и контроль
Надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций
1. Удаленный контроль производственного оборудования и объектов - возможно LTE
Advanced
2. Smart Grid – («умные» сети) - управление производством, передачей и потреблением электроэнергии - возможно
LTE Advanced
Региональное или федеральное
Полная промышленная автоматизация, в том числе управление ключевыми энергетическими объектами, удаленно управляемое оборудование
Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Критически важные приложения. Электронное здравоохранение (удаленная хирургия при помощи роботов и др.)
Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая или сверхнизкая задержка
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
18
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Сверхнадежная связь
(URLLC)
Критически важные приложения
(работа в опасных средах, спасательные миссии)
Высокая или сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая или сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, возможность преодоления препятствий
1. Дроны (наблюдение, доставка) - возможно LTE Advanced
2. Дроны, спасательные роботы
(real-time - поиск людей, тушение пожаров и пр.) - только сети
5G/IMT-2020
Региональное или федеральное
Поддержка транспорта.
Требуется непосредственное участие водителя (прямые коммуникации между устройствами, предиктивная аналитика движения, оповещения об опасных ситуациях, анализ плотности трафика)
Высокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий
Частичная автоматизация транспортной системы - возможно
LTE Advanced
Региональное или федеральное
Беспилотный транспорт
(полнофункциональная интеллектуальная поддержка транспортной системы, в том числе автоматизация вождения)
Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий
Только сети 5G/IMT-2020
Региональное или федеральное
19
1.2 Общее описание технологических решений для радиоинтерфейсов
сетей 5G/IMT-2020
В отличие от предыдущих поколений, где для каждого нового поколения сетей связи (2G, 3G, 4G) разрабатывался новый радиоинтерфейс, в сети подвижной связи технологии 5G/IMT-2020 планируется применять как новый радиоинтерефейс
(New Radio или NR согласно спецификациям 3GPP серии 38), так и эволюцию стандарта LTE-Advanced.
Стандарт LTE-Advanced продолжает эволюционировать, приближаясь по своим характеристикам к возможностям стандарта NR. В стандарте LTE-Advanced уже реализована поддержка активных антенных систем, использование более эффективного кодирования и модуляции, агрегация нескольких частотных каналов, уменьшенная задержка на уровне радиоинтерфейса. Однако структура радиоинтерфейса NR изначально разрабатывалась для обеспечения более высоких скоростей передачи данных и меньших задержек, более эффективного использования частотного ресурса за счет:
применения сигналов с большей шириной спектра (до 100 МГц в диапазоне до 6 ГГц и до 400 МГц в диапазоне свыше 6 ГГц);
обеспечения минимальных задержек на радиоинтерфейсе за счет возможности увеличения частоты следования временных слотов кадровой структуры, за счет модификации протокола управления радиоресурсами;
применения адаптивного к нагрузке временного дуплекса;
применения более эффективных помехоустойчивых кодов;
использования активных антенных систем миллиметрового диапазона с большим количеством элементов, узкой диаграммой направленности излучения и высокой избирательностью;
реализации индивидуальных сценариев использования ресурсов полосы частот канала NR для абонентских терминалов различных типов и производительности (широкополосных/узкополосных абонентских терминалов
WB/NB UE, абонентских терминалов с агрегацией несущих CA UE).
Несмотря на меньшую эффективность реализованных технических решений по сравнению с NR, эволюционный путь развития имеет более низкую стоимость и обеспечивает высокую скорость развертывания на основе существующей инфраструктуры, а также возможность обслуживания имеющихся терминалов LTE.
Для поддержки возможности подключения большого числа маломощных устройств в рамках реализации концепции IoT в 3GPP были разработаны такие режимы работы LTE как eMTC и NB-IoT, дополняющие возможности друг друга.
20
Технология LTE-eMTC в большей степени ориентирована на более надежную связь с поддержкой мобильности и возможностью более высокой скорости передачи при потере в максимальном покрытии и энергетике (в силу больших скоростей передачи). NB-IoT оптимизирована для сегмента IoT, где требуются максимальная дальность связи, малые скорости и большая энергоэффективность.
Радиоинтерфейс NR играет роль ключевого радиоинтерфейса для сценариев высокой пропускной способности и малой задержки. New Radio предполагается развертывать как в нижних, так и верхних диапазонах радиочастот. Ключевыми особенностями радиоинтерфейса являются пересмотренная структура кадра с возможностью минимизации задержки до 1 мс, более широкие каналы, более эффективное помехоустойчивое кодирование и более эффективное использование сложных антенных систем.
Спектральная эффективность технологии 5G/IMT-2020 существенно выше, чем у 4G, за счет использования усовершенствованного радиоинтерфейса. В миллиметровом диапазоне радиочастот (26 ГГц) основной вклад в повышение пиковой спектральной эффективности достигается за счет применения Massive
MIMO с большим количеством излучающих элементов в активной антенной решетке, и выигрыш может достигать 50-80%. К методам повышения эффективности использования спектра в сети 5G/IMT-2020, которые рассматривались в 3GPP, относятся следующие:
1. Усовершенствованные формы сигналов, модуляция и кодирование, схемы многостанционного доступа:
- фильтрованное OFDM (FOFDM);
- модуляция с множеством несущих с использованием банка фильтров
(FBMC);
- многостанционный доступ с разделением по шаблону (PDMA);
- многостанционный доступ на основе разреженных кодов (SCMA);
- многостанционный доступ с разделением на основе перемежения (IDMA) и распределение по несущим с низкой плотностью (LDS).
На данном этапе стандартизации технологии 5G/IMT-2020 (3GPP релиз 15), в качестве метода мультиплексирования принят метод СР-OFDM (Cyclic-Prefix
Orthogonal Frequency Division Multiplexing) на канале «вниз» (DL) и CP-OFDM с DFT или без в канале «вверх» (UL).
2. Антенные технологии:
- формирование трехмерного луча FD-MIMO (3D beamforming);
- активная антенная система (AAS) с решеткой излучателей;
21
- усовершенствованные системы с многоканальным входом/ многоканальным выходом (massive и multi user MIMO).
3. Гибкость при использовании спектра:
- агрегация несущих с различным дуплексом (TDD и FDD);
- двухканальное подключение, в том числе и в мультистандартной сети;
-динамический TDD.
4. Обеспечение прямой связи между абонентскими терминалами.
5. Использование в микросотах схем модуляции более высокого порядка и использование эталонных сигналов с уменьшенным объемом служебной информации (основан на применении функционала Lean Carrier).
В таблице 1.2 представлено сравнительное описание семейства радиоинтерфейсов стандартов NR и LTE-Advanced, в совокупности формирующих единую сеть подвижной связи технологии 5G/IMT-2020, управляемую единым ядром сети.
сопоставление с действующими сетями IMT
1.1 Общее описание услуг и сервисов, предполагаемых для предоставления
на сетях 5G/IMT-2020
Существующие сети 4G не позволяют в требуемой мере обеспечить новые потребности абонентов в инновационных услугах подвижной связи. При этом операторы столкнулись с недостаточной гибкостью сетей связи, увеличением их сложности и ростом стоимости их эксплуатации. Технологии 5G/IMT-2020, позволяющие нивелировать указанные недостатки, являются закономерным этапом развития сетей подвижной связи.
Международный союз электросвязи МСЭ-R определил показатели главных эксплуатационных характеристик сети, достижение которых позволяет отнести ее к сети 5-го поколения:
- увеличение пропускной способности сети (рост скорости передачи данных в 10-100 раз в расчете на абонента - до 10 Гбит/с (DL) и до
5 Гбит/с (UL);
- обеспечение роста потребляемого трафика в расчете на 1 абонента (рост в
1000 раз) – до 500 Гб на пользователя в месяц;
- увеличение количества подключаемых абонентских устройств в соте в 10-100 раз - до 300 000 на узел и до 1 миллиона устройств на 1 км
2
;
- уменьшение сквозной задержки передачи данных в сети с 10 мс до 1 мс;
- рост спектральной эффективности радиоинтерфейса до 3 раз;
- многократное увеличение времени автономной работы абонентских устройств с небольшим энергопотреблением, таких как сенсоры IoT/М2М/D2D – до10 лет;
- снижение стоимости эксплуатации и энергопотребления сетей
5G/IMT-2020 до 10 раз по сравнению с сетью 4G.
Услуги, предоставляемые сетью связи 5G/ IMT-2020, классифицированы
МСЭ-R на 3 группы:
Первая группа: усовершенствованная подвижная широкополосная связь
(еMBB). Эта группа услуг охватывает сценарии использования, ориентированные на человека и обеспечивающие доступ к мультимедийному контенту, услугам и данным (аналогична услугам, предоставляемым в настоящее время сетями LTE).
К таким услугам относятся: Ultra HD и видео, 3D видео, в том числе в реальном времени, онлайн игры, виртуальная реальность (возможные области применения: образование, развлечения, здравоохранение, военная промышленность),
13 расширенные сервисы социальных сетей, облачные сервисы (возможные области применения: государственные услуги, бизнес приложения, вычисления), голос, в том числе потоковый, музыка в реальном времени, вещание MBMS.
Для качественной поддержки этих услуг должны обеспечиваться мультигигабитные скорости передачи данных. В сценариях для еМВВ высокое значение имеют практическая пользовательская скорость передачи данных, трафик на единицу площади, пиковая скорость передачи данных, мобильность, энергоэффективность и эффективность использования спектра.
Вторая группа: крупномасштабные системы межмашинной связи (MIoT).
Данный сценарий использования характеризуется большим количеством подключенных устройств, передающих относительно небольшой объем данных, не столь чувствительных к задержке. Для качественной поддержки этих услуг необходимо обеспечить низкую стоимость абонентских устройств при поддержке большой зоны охвата и продолжительного времени работы устройства от батареи.
Основные области применения: энергетика, транспорт, здравоохранение, торговля, общественная безопасность, промышленность, ЖКХ, беспилотные транспортные средства. Сценариям MIoT свойственны высокая плотность соединений и необходимость поддержания корректного функционирования большого количества устройств в сети. Для реализации данного сценария важны низкая стоимость устройства и его энергоэффективность.
Третья группа: сверхнадежная передача данных с малой задержкой (URLLC).
В данном сценарии использования предъявляются жесткие требования к таким показателям функционирования сети, как пропускная способность, задержка и готовность. К таким услугам относятся беспроводное управление промышленными и производственными процессами (роботизация), дистанционная медицина, в частности, хирургия, автоматизация распределения энергии в "умных" электросетях, общественная безопасность, «умные» дома и города, применение интеллектуальных транспортных средств и внедрение интеллектуальной дорожной инфраструктуры на базе V2X и т.д. В некоторых сценариях URLLC высокое значение имеет низкая задержка для того, чтобы обеспечить работу критически важных служб безопасности, а также высокий уровень мобильности в сфере услуг безопасности перевозок.
В таблице 1.1 показаны потенциальные требования к некоторым применениям типов услуг 5G/IMT-2020 и возможность их реализации с использованием существующих сетей.
14
Для реализации на сети мобильной связи пятого поколения перечисленных выше трех основных групп услуг сети 5G/IMT-2020 должны обладать следующими характеристиками:
- гибкость использования спектра и ширины полосы – возможность проектирования системы связи по отношению к различным спектральным сценариям, и, в частности, к возможности функционировать в различных диапазонах частот;
- надежность - способность обеспечить работу услуги с очень высоким коэффициентом готовности (где под коэффициентом готовности подразумевается вероятность того, что сеть окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени);
- устойчивость - способность сети сохранять работоспособное состояние во время и после влияния внешних воздействий (чрезвычайные ситуации, аварийное отключение электроэнергии и т.п.);
- безопасность и конфиденциальность - способность обеспечивать шифрование и защиту целостности абонентских данных, предотвращение несанкционированного доступа, защиту сети от взлома, мошенничества и т.д.;
- энергоэффективность - способность обеспечивать заданное время работы, обеспечиваемое накопленной энергетической емкостью. Это особенно важно для
М2М-устройств, которым необходим продолжительный срок службы аккумулятора (например, более 10 лет), так как их постоянное техническое обслуживание затруднено физическими или экономическими причинами.
15
Таблица 1.1 Требования к некоторым применениям типов услуг 5G/IMT-2020 и возможность предоставления услуг на существующих сетях
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Сверхшироко- полосная мобильная связь
(еMBB)
Передача видео со сверхвысоким разрешением
(4К, 8К), 3D видео
(в т.ч. широковещательные услуги)
Сверхвысокая скорость радиосоединения, низкая задержка (видео реального времени).
Задержка ≤ 200 мс
1. LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
)
2. От 100 Гбит/с/км
2
до 1000
Гбит/с/км
2
– только сети
5G/IMT-2020
Ограниченное
Виртуальная реальность
(применение VR в производстве, телеприсутствие и прочие VR-сервисы).
Дополненная реальность
Сверхвысокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка
1. LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
) и требованиях по задержке до 7 мс.
2. Требования по скорости свыше
4 Гбит/с и задержке ≤ 2 мс – только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Тактильный интернет
Сверхнизкая задержка
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Игры в облаке
(VR-сервисы с коммуникациями)
Сверхвысокая скорость радиосоединения.
Низкая задержка ≤ 7 мс
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Мобильная «последняя миля» - альтернатива оптической линии связи до квартиры
Высокая скорость радиосоединения до 150 Мбит/с
LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
)
Ограниченное
Беспроводная связь в высокоскоростных поездах
Скорость до 500 км/ч.
Задержка ≤ 10 мс
LTE Advanced - возможно
Отдельные транспортные артерии
Услуги передачи данных в условиях высокой концентрации абонентов
Суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км
2
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
16
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Массовая межмашинная связь
(MIoT)
Подключенные счетчики воды, электроэнергии и пр.
Возможность преодоления препятствий
LTE Advanced - возможно – до 100 тыс. устройств на кв. км.
Региональное или федеральное
Умный дом
(подключенные бытовые устройства и пр.)
Возможность преодоления препятствий
LTE Advanced - возможно – до 100 тыс. устройств на кв. км.
Региональное или федеральное
Умный офис
Функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, возможность преодоления препятствий, высокая надежность радиосоединения
LTE Advanced - возможно – до 100 тыс. устройств на кв. км.
Региональное или федеральное
Умный город
(системы видеонаблюдения и пр.)
Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий, высокая надежность радиосоединения, возможность преодоления препятствий
1. LTE Advanced - возможно – до
100 тыс. устройств на кв. км.
2. Полномасштабный «Умный город» в крупных городских агломерациях с высокой плотностью населения – только сети 5G/IMT-2020
Городское
Сенсорные сети
(промышленные, коммерческие и т.д.)
Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий, Mesh сеть
1. LTE Advanced - возможно – до
100 тыс. устройств на кв. км.
2. Сценарии со сверхвысокой концентрацией датчиков IoT в отдельных зонах (производство, инфраструктура) – только сети
5G/IMT-2020
Ограниченное
17
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Массовая межмашинная связь
(MIoT)
Удаленный контроль перевозок
(мониторинг транспортных средств)
Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий
LTE Advanced - возможно
Региональное или федеральное
Сверхнадежная связь
(URLLC)
Частичная промышленная автоматизация, мониторинг и контроль
Надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций
1. Удаленный контроль производственного оборудования и объектов - возможно LTE
Advanced
2. Smart Grid – («умные» сети) - управление производством, передачей и потреблением электроэнергии - возможно
LTE Advanced
Региональное или федеральное
Полная промышленная автоматизация, в том числе управление ключевыми энергетическими объектами, удаленно управляемое оборудование
Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
Критически важные приложения. Электронное здравоохранение (удаленная хирургия при помощи роботов и др.)
Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая или сверхнизкая задержка
Только сети 5G/IMT-2020
Ограниченное
18
Тип услуг
Применение
Основные требования
Возможность предоставления
на сетях LTE Advanced
Требования к
покрытию
Сверхнадежная связь
(URLLC)
Критически важные приложения
(работа в опасных средах, спасательные миссии)
Высокая или сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая или сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, возможность преодоления препятствий
1. Дроны (наблюдение, доставка) - возможно LTE Advanced
2. Дроны, спасательные роботы
(real-time - поиск людей, тушение пожаров и пр.) - только сети
5G/IMT-2020
Региональное или федеральное
Поддержка транспорта.
Требуется непосредственное участие водителя (прямые коммуникации между устройствами, предиктивная аналитика движения, оповещения об опасных ситуациях, анализ плотности трафика)
Высокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий
Частичная автоматизация транспортной системы - возможно
LTE Advanced
Региональное или федеральное
Беспилотный транспорт
(полнофункциональная интеллектуальная поддержка транспортной системы, в том числе автоматизация вождения)
Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий
Только сети 5G/IMT-2020
Региональное или федеральное
19
1.2 Общее описание технологических решений для радиоинтерфейсов
сетей 5G/IMT-2020
В отличие от предыдущих поколений, где для каждого нового поколения сетей связи (2G, 3G, 4G) разрабатывался новый радиоинтерфейс, в сети подвижной связи технологии 5G/IMT-2020 планируется применять как новый радиоинтерефейс
(New Radio или NR согласно спецификациям 3GPP серии 38), так и эволюцию стандарта LTE-Advanced.
Стандарт LTE-Advanced продолжает эволюционировать, приближаясь по своим характеристикам к возможностям стандарта NR. В стандарте LTE-Advanced уже реализована поддержка активных антенных систем, использование более эффективного кодирования и модуляции, агрегация нескольких частотных каналов, уменьшенная задержка на уровне радиоинтерфейса. Однако структура радиоинтерфейса NR изначально разрабатывалась для обеспечения более высоких скоростей передачи данных и меньших задержек, более эффективного использования частотного ресурса за счет:
применения сигналов с большей шириной спектра (до 100 МГц в диапазоне до 6 ГГц и до 400 МГц в диапазоне свыше 6 ГГц);
обеспечения минимальных задержек на радиоинтерфейсе за счет возможности увеличения частоты следования временных слотов кадровой структуры, за счет модификации протокола управления радиоресурсами;
применения адаптивного к нагрузке временного дуплекса;
применения более эффективных помехоустойчивых кодов;
использования активных антенных систем миллиметрового диапазона с большим количеством элементов, узкой диаграммой направленности излучения и высокой избирательностью;
реализации индивидуальных сценариев использования ресурсов полосы частот канала NR для абонентских терминалов различных типов и производительности (широкополосных/узкополосных абонентских терминалов
WB/NB UE, абонентских терминалов с агрегацией несущих CA UE).
Несмотря на меньшую эффективность реализованных технических решений по сравнению с NR, эволюционный путь развития имеет более низкую стоимость и обеспечивает высокую скорость развертывания на основе существующей инфраструктуры, а также возможность обслуживания имеющихся терминалов LTE.
Для поддержки возможности подключения большого числа маломощных устройств в рамках реализации концепции IoT в 3GPP были разработаны такие режимы работы LTE как eMTC и NB-IoT, дополняющие возможности друг друга.
20
Технология LTE-eMTC в большей степени ориентирована на более надежную связь с поддержкой мобильности и возможностью более высокой скорости передачи при потере в максимальном покрытии и энергетике (в силу больших скоростей передачи). NB-IoT оптимизирована для сегмента IoT, где требуются максимальная дальность связи, малые скорости и большая энергоэффективность.
Радиоинтерфейс NR играет роль ключевого радиоинтерфейса для сценариев высокой пропускной способности и малой задержки. New Radio предполагается развертывать как в нижних, так и верхних диапазонах радиочастот. Ключевыми особенностями радиоинтерфейса являются пересмотренная структура кадра с возможностью минимизации задержки до 1 мс, более широкие каналы, более эффективное помехоустойчивое кодирование и более эффективное использование сложных антенных систем.
Спектральная эффективность технологии 5G/IMT-2020 существенно выше, чем у 4G, за счет использования усовершенствованного радиоинтерфейса. В миллиметровом диапазоне радиочастот (26 ГГц) основной вклад в повышение пиковой спектральной эффективности достигается за счет применения Massive
MIMO с большим количеством излучающих элементов в активной антенной решетке, и выигрыш может достигать 50-80%. К методам повышения эффективности использования спектра в сети 5G/IMT-2020, которые рассматривались в 3GPP, относятся следующие:
1. Усовершенствованные формы сигналов, модуляция и кодирование, схемы многостанционного доступа:
- фильтрованное OFDM (FOFDM);
- модуляция с множеством несущих с использованием банка фильтров
(FBMC);
- многостанционный доступ с разделением по шаблону (PDMA);
- многостанционный доступ на основе разреженных кодов (SCMA);
- многостанционный доступ с разделением на основе перемежения (IDMA) и распределение по несущим с низкой плотностью (LDS).
На данном этапе стандартизации технологии 5G/IMT-2020 (3GPP релиз 15), в качестве метода мультиплексирования принят метод СР-OFDM (Cyclic-Prefix
Orthogonal Frequency Division Multiplexing) на канале «вниз» (DL) и CP-OFDM с DFT или без в канале «вверх» (UL).
2. Антенные технологии:
- формирование трехмерного луча FD-MIMO (3D beamforming);
- активная антенная система (AAS) с решеткой излучателей;
21
- усовершенствованные системы с многоканальным входом/ многоканальным выходом (massive и multi user MIMO).
3. Гибкость при использовании спектра:
- агрегация несущих с различным дуплексом (TDD и FDD);
- двухканальное подключение, в том числе и в мультистандартной сети;
-динамический TDD.
4. Обеспечение прямой связи между абонентскими терминалами.
5. Использование в микросотах схем модуляции более высокого порядка и использование эталонных сигналов с уменьшенным объемом служебной информации (основан на применении функционала Lean Carrier).
В таблице 1.2 представлено сравнительное описание семейства радиоинтерфейсов стандартов NR и LTE-Advanced, в совокупности формирующих единую сеть подвижной связи технологии 5G/IMT-2020, управляемую единым ядром сети.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10