[Из песочницы] Радиоинтерфейс систем 5G
Рассмотрена одна из важнейших черт перспективных сетей 5-го поколения: использование миллиметрового диапазона частот.
Статья основана на личном опыте автора в изучении облика будущих сетей 5G в одном из ведущих европейских университетов и общении с людьми, непосредственно занятыми в этой области. Ввиду скудного количества публикаций технического свойства на тему радиоинтерфейса 5G на русском языке (что весьма печально), автор надеется что статья будет полезна всем интересующимся.
Беспроводные технологии 5-го поколения (5G) предположительно начнут входить в нашу жизнь в 2020 году. Они должны будут вывести качество предоставляемых сервисов на совершенно новый уровень, и все это в условиях экспоненциального роста трафика в сетях мобильной связи и увеличивающегося количества устройств, подключенных к таким сетям.
Важно отметить, что разработчики 5G думают о дальней перспективе, о том чтобы 5G в будущем были настолько гибкими и «мощными», чтобы могли создавать инфраструктуру для таких приложений, о которых мы только начинаем думать сегодня. Например, ведутся исследования на тему того как 5G станут в будущем важной компонентой для инфраструктуры беспилотного автотранспорта.
На уровне концепции, разработанной в рамках европейского проекта METIS [1], предполагаются три основных базовых сервиса (generic 5G services), предоставляемого сетями 5G и отличающихся разными требованиями к параметрам сети:
- Сверхширокополосная мобильная связь (Extreme Mobile Broadband — xMBB);
- Массовая межмашинная связь (Massive Machine-Type Communications — mMTC);
- Сверхнадежная межмашинная связь (Ultra-reliable MTC — uMTC).
Последние два особенно важны в контексте модной ныне концепции интернета вещей (Internet of Things).
Кстати, уже в начале июля стартовал второй этап проекта — METIS-II, по результатам которого будут определен более-менее окончательный облик сети радиодоступа 5G.
Вообще, сама возможность таких весьма продвинутых инфраструктурных сервисов должна будет основана 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 исполняют не только терминальные, но и инфраструктурные функции;
- Локализация контента для снижения нагрузки, задержек и возможности агрегирования трафика;
- Внедрение новых подходов к использованию частотного ресурса.
1. Переход в миллиметровый диапазон — полнонаправленная связь
В настоящее время в среде разработчиков и исследователей достигнут консенсус, что будущие сети 5G уйдут (впрочем только частично) в диапазоны частот СВЧ (3–30 ГГц, 10–1 см) и возможно даже КВЧ (30–300 ГГц, 10–1 мм), [2]. Использование таких экзотических для мобильной радиосвязи диапазонов частот требует пересмотра принципов радиодоступа как на физическом так и на MAC уровнях.
Для общего понимания ситуации в этом диапазоне, ниже приведены графики, опубликованные в [3]. На первом графике видно, что при 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 существенно вырасти (по некоторым данным до 1–2 км в СВЧ диапазоне).
Вдобавок ко всему, миллиметровые волны (mmWaves) характеризуются заметным затуханием в атмосфере, что показано на следующем графике. Что уж тут говорить о затуханиях в препятствиях.
Таким образом, надежная связь в миллиметровом диапазоне требует применения узконаправленных лучей при условии прямой видимости. Или, как минимум, использования лучей, отраженных от объектов в непосредственной от передатчика близости. Рис. из [4]:
Очевидно, что это в свою очередь влечет широкое применение «сверхплотных» архитектурных решений (ultra-dense network solutions): фемто- и пикосот (для снижения требуемой дальности) вкупе с остронаправленными антеннами как на передатчике, так и на приемнике, если последнее возможно (для повышения достижимой дальности и даже перекрытия требования по этому параметру в малых сотах).
В таком сценарии «полнонаправленной радиосвязи» (fully-directional communication) поддержанной еще и новыми протоколами MAC уровня (т.к. при работе на прямой видимости и на узком радиолуче меняются протоколы доступа к среде, однако это тема отдельного разговора) разработчики приходят к новой концепции ограниченной по шуму сетевой архитектуры (noise-limited network architecture) вместо принятой сегодня архитектуры, ограниченной по интерференции (interference-limited), а так же абонент-ориентированного дизайна (user-centric design) вместо сегодняшего дизайна, ориентированного на соту (или сектор) (cell-centric design). [4]. И наконец из-за высокой направленности и динамического характера будущих сетей 5G, само понятие «сота» так же будет пересмотрено (об этом будет сказано ниже).
2. Многоэлементные MIMO — другая ключевая технология
Ввиду малых длин волн в миллиметровом диапазоне, в системах 5G могут быть использованы меньшие по размерам антенные системы. В частности, особый интерес и усилия на сегодня прикованы к технологиям многоэлементных MIMO антенн (Massive-MIMO). Применение таких антенных технологий позволяет эффективно решать проблемы полнонаправленной радиосвязи и интерференции. С другой стороны, необходимость работы в таких высоких диапазонах влечет удорожание и усложнение конкретных схемотехнических решений. На рис. показан первый опытный образец многоэлементной MIMO системы с числом элементов более 100 (по видимому, простых патч-антенн), (взято отсюда www.designworldonline.com/a-new-way-to-accelerate-5g-research):
3. Проблемы полнонаправленной мобильной связи и их возможные решения
Однако, полнонаправленная радиосвязь имеет и два существенных ограничения:
- Перекрытие канала прямой видимости (Blockage) из-за разного рода препятствий на трассе. Для преодоления этой неприятной ситуации должны быть найдены альтернативные пути передачи сигнала как используя техники формирования ДН в антенных системах (beamforming techniques) для работы на отраженном луче, так и применяя новые подходы к хендоверу и сопровождению абонента, находящегося в движении. Например, сеть может обмениваться данными с мобильной станцией (MS) посредством нескольких базовых станций (BS) одновременно.
- «Глухота» (Deafness). Узкие главные лепестки ДН антенн на MS и BS должны быть направлены точно друг на друга, в противном случае они попросту «не услышат» друг друга. Решение такой проблемы выглядит сложнее т.к. требует новых подходов для процедур установления соединения. К примеру, в современных сетях формирование узкого луча ДН происходит только после синхронизации с использованием всенаправленного канала управления в УКВ диапазоне. Однако в сетях 5G такая стратегия приведет к проблемам из-за различной дальности связи и (что еще важнее) условий распространения сигнала в двух разных диапазонах УКВ и СВЧ.
4. Пересмотр принципов планирования
Классическое понимание соты или сектора, базирующееся на критерии минимального расстояния и принятии условия равномерности распределения вероятности расположения абонентов внутри соты/сектора, становится практически бесполезным в виду следующих принципиальных факторов:
- Уплотнения инфраструктуры, особенно в городских условиях;
- Высокой направленности радиосвязи;
- Гетерогенности в радиосетях.
Сети 5G предоставят большее число степеней свободы в смысле доступа к ресурсам, а это значит что параметры соты/сектора и, в частности, их границы, будут определяться в результате алгоритмов динамической оптимизации для максимизации/минимизации некоторой целевой функции. В соответствии с требованиями к качеству обслуживания, такая целевая системная функция может определяться следующими параметрами сети (или их комбинацией): задержкой (latency), надежностью, энергопотреблением, скоростью передачи данных, равномерностью качества обслуживания обслуживания абонентов и др.
Более того, предполагается, что решение о том какая системная функция должна быть оптимизирована будет приниматься на основании того каким именно сервисом абонент пользуется в данный момент времени. Таким образом, конфигурирование сети, отвечающее требованиям того или иного сервиса, возможно будет производиться не оператором связи, а непосредственно провайдером услуги через API в рамках концепции Software Defined Wireless Networking (SDWN).
5. Заключение
По всей видимости, оптимальным выглядит подход при котором в сетях 5G будут адаптивно использоваться преимущества как «нового» так и «старого» диапазонов. Это отвечает и другому принципу 5G — гетерогенности. С другой стороны, такой подход обеспечит сопряжение с уже существующими системами беспроводного доступа.
Ссылки
[1] METIS Deliverable D 8.4, «METIS final project report», 30 April 2015.
[2] METIS Deliverable D 2.4, «Proposed solutions for new radio access», 28 February 2015.
[3] T.S. Rappaport et al., «Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!», IEEE Access, vol. 1, May 2013, pp. 335–49.
[4] H. Shokri-Ghadikolaei, C. Fischione et al., «Millimeter Wave Cellular Networks: A MAC Layer Perspective» Submitted in IEEE Transactions on Communications on 3 March 2015.
