Реферат 5G. Исследование особенностей сетей 5g по сравнению с сетями предыдущих поколений по дисциплине введение в направление

• Название: Исследование особенностей сетей 5g по сравнению с сетями предыдущих поколений по дисциплине введение в направление
• Анкор: Реферат 5G
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 1.95 Mb.
• Имя файла: Referat_finalo4ka.docx
• Тип: Исследование; #737293
• страница: 2 из 3

0.3 GMSK

GMSK— это Гауссовская модуляция с минимальным сдвигом по частоте. Используя гауссовый фильтр удается сузить полосы частот.

Импульсная характеристика Гауссовского фильтра описывается следующей формулой:



_{(2.6)
где B - полоса пропускания фильтра по уровню, в данном случае 0,3 дБ}

2. 
   _{п/4 DQPSK}
   

Является разновидностью фазовой модуляции, использующую скачкообразное изменение фазы сигнала

Этот вид модуляции является промежуточным междуQPSK и OQPSK,так как изменение фазы несущей за один символ происходит на 45° или 135°



Рисунок 2.5 – Диаграмма фазовых переходов для сигнала л/4 DQPSK

При переходе от одного символа к другому происходит изменение фазы от одного из состояний первой диаграммы к одному из состояний второй, а при переходе к следующему символу - возврат к предыдущей диаграмме,хотя скорее всего не к прежнему фазовому состоянию.

Форма волны на выходе модулятора представляется выражением:


_(2.7)

3. 
   _QPSK
   

QPSK - quadrature phase shift keying, это еще один метод модуляции, и он особенно интересен, поскольку он фактически передает два бита в одном символе. Другими словами, QPSK символ не представляет собой 0 или 1, он представляет собой 00, 01, 10 или 11. Эта производительность с двумя битами на символ возможна, поскольку изменения несущей не ограничены двумя состояниями. В QPSK несущая изменяется по фазе, а не по частоте, и существует четыре возможных фазовых сдвига.


<sub>(2.8)

где Q(t) -</sub> квадратурная составляющая(мнимая часть комплексной огибающей)

I(t) - квадратурная составляющая(действительная часть комплексной огибающей)

4. 
   _{Третье поколение связи(3G)}
   

Идея технологии 3G строилась на идеи объединить стандарты используемые в США, Азии, Европе.

3G, представляемый как Универсальная Телекоммуникационная Система(UMTS) произвела интернет революцию, увеличив скорость передачи данных, и освободив людей от модемов. Так-же главную роль сыграл новый стандарт IMT2000, характеристики которого были строго определенны Международным Союзом Электросвязи(ITU). IMT-2000 включает в себя UMTS (W-CDMA), который пришел на смену GSM, и CDMA2000, пришедший на смену IS-95. Платформа UMTS сделала возможной скорость до 2 Мбит/с и стандарты глобального роуминга. Стандарт также позволяет передавать оцифрованное видео и мультимедийное содержимое. Коммутация пакетов в системах UMTS использует IP для виртуальных соединений. Это означает, что соединение всегда будет доступно для всех точек сети, а также способствует применению альтернативных методов тарификации

В двух самых распространенных стандартах связи IMT-2000 и UMTS используется QPSK и 16QAM методы модуляции, первый из них я уже изучил выше, перейду к изучению 16QAM

1. 
   16QAM
   

QAM - квадратурная амплитудная модуляция

Две несущие волны одной и той же частоты, обычно синусоиды, находятся вне фазы друг с другом на 90° и, таким образом, называются квадратурными несущими или квадратурными компонентами - отсюда и название схемы. Модулированные волны суммируются, а окончательная форма волны представляет собой комбинацию как фазовой манипуляции (PSK), так и амплитудной манипуляции (ASK), или в аналоговом случае фазовой модуляции (PM) и амплитудной модуляции.



Рисунок 2.6 - Функциональная схема квадратурного модулятора

(t) управляет синфазной компонентой, а q(t) квадратной.

Математически модулированный сигнал можно выразить через формулу:


<sub>(2.9)

где</sub>

– квадратурный коэффициент сигнала

– квадратурный коэффициент сигнала

f – несущая частота

a(t) –амплитуда

θ(t) – фаза модулирования



Рисунок 2.7 - Физический смысл квадратурных коэффициентов

5. 
   Четвертое поколение сетей(4G)
   

Технология осуществляет работу в частотном диапазоне от 2 до 8 ГГц, с полосой от 5 до 20 МГц. Не смотря на схожие характеристики у третьего поколения, пропускная способность значительно выше. Переход от 3G к 4G был плавным, и планомерным. Ему предшествовало появления 3,5G , 3,75G , 3,9G , 3,95G, после этого появилось LTE(Long-Term Evolution), которое позволило добиться скоростей схожих с 4G. Стандарты четвертого поколения делятся на два типа: FDD(Frequency Division Duplex - частотный разнос входящего и исходящего канала) и TDD(Time Division Duplex - временной разнос входящего и исходящего канала). Если говорить грубо, то FDD это параллельная передача сигнала, в TDD, переменная. При FDD возможна одновременная загрузка, и выгрузка. В то время как при TDD эти этапы чередуются.



Рисунок 2.8 – Характеристики сетей четвертого поколения

Так как я уже разбирал подобные типы модуляции при изучении сетей прошлого поколения, разбор я делать не буду.

6. 
   Пятое поколение сетей(5G)
   

Новый диапазон радиочастот.

Радиоинтерфейс определённый 3GPP для 5G, известен как New Radio (NR), а спецификация подразделяется его на две полосы частот: FR1 (600-6000 МГц) и FR2 (24-100 ГГц), каждая из них обладает различными возможностями.

Особенности покрытия FR2

В стандарте 5G предусмотрена работа на частотах 24 ГГц и выше, такой сигнал 5G не способен эффективно работать на расстоянии более нескольких сотен метров между передатчиком и приёмником, в отличие от сигналов 4G или 5G более низкой частоты (до 6 ГГц). В результате базовые станции 5G должны располагаться через каждые несколько сотен метров, чтобы использовать эти высокие частоты. Кроме того, настолько высокочастотные сигналы с большими потерями проникают через твердые объекты, такие как автомобили, деревья и стены. Поэтому для обеспечения высокого качества связи базовые станции 5G могут располагаться внутри зданий, и для этого могут быть спроектированы так, чтобы быть как можно более незаметными, чтобы устанавливать их в таких местах, как рестораны и торговые центры.

Таблица 2.3 – Характеристики сетей пятого поколения.

Характеристика	Значение
Частота	3,4 – 3,8 ГГц / 24,65 – 29,5 ГГц
Ширина диапазона	80 – 200 МГц
Максимальная скорость	20 Гбит/с
Стандарт	Не утверждён
Способ модуляции	π/2-BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM

7. 
   Модуляция сетей пятого поколения
   
   1. 
      π/2-BPSK
      

При двоичной фазовой манипуляции (BPSK) фара синусоидального несущего сигнала изменяется в соответствии со значениями передаваемого бита данных двоичной информации. Двоичная информация кодируется с относительным фазовым сдвигом а 0 и 180 градусов. В то время как при π/2 информация кодируется в относительных фазовых сдвигах π/2 и - π/2 в результате она имеет только две несущей фазы, на той же частоте, но разделенные 180 градусами.

Несущий сигнал может быть представлен:


_(2.10)

Если данные равны 0


_(2.11)

Если данные равны 1

_{где -} несущий сигнал с начальной фазой 0 градусов.

Когда входные данные изменяются между 0 и 1, несущий сигнал соответственно смешается между относительными π/2 и - π/2. Для генерации несущего сигнала используется прямой цифровой синтезатор

4. 
   Вывод
   

• 
  Модуляция бывает трех видов: амплитудной, фазовой, частотной.
  
• 
  В мобильных связях последних поколений чаще всего используется модуляция из семейства QAM и QPSK. Их объединяет то что они могут передавать в 2 раза больше символов, а в случае QAM, это число может достигать 8.
  
• 
  Сети каждого нового поколения увеличивают зону покрытия сети, и увеличивает максимальную пропускную способность, что обуславливается улучшением методов модуляции и развитию полупроводников.
  

3. 
   Сравнить мобильную связь 4 и 5 поколения(4G,5G)
   

Для сранения двух разных поколений связи необходимо поочередно разобрать каждок поколения, и только после этого перейти к сранению.

1. 
   Четвер поколение связи(4G)
   

Самым популярным стандртом 4G является LTE-Advance, поэтому посчитаю правильным сделать разбор именно это технологии.

Радиус соты . Максимаьный радиус соты, при котором соблюдаются все требования к спектральной эффективности, равен 5 километрам. Максамальный радиус соты сети стандарта LTE может достигать 30 километров.

Диапазонны частот, duplex,ширина каналов.

Для обмена ифнормаций используется частотный дюплекс(FDD, Frequency Division Duplex), и временной(TDD, Time Division Duplex. Ширина радиоканала может быть различной. Стандартом предусмотрены значения 1,4 МГц, 3 МГц, 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц.

Технологии радиодоступа. LTE использует технологию радиодоступ OFDMA и SC-FDMA. При OFDMA весь спект делится на ортогональные поднесущие шириной 15кГц, на одного абонента выделяется 12 поднесущих, тоесть 180кГц

Каждая из поднесущих имеет свой вид модуляции, стандартом предусмотрены: QPSK, QAM-16, QAM-64. Конкретный вид модуляции выбирается исходя из соотношения сигнал/шум в канале связи. Множественный доступ организуется за счет выделения определенного числа поднесущих каждому из абонентов.

Технология OFDMA обладает несколькими преимуществами. Одним из таких является борьба с межсимвольной интерференцией, из-за того что символы передаются на случайных поднесущих, это позволяет увеличить продолжительность символа и уменьшить межсимвольную интерференцию. Так-же технология устойчева к частосно-зависимому затуханию сигнала Так-же у OFDMA имеются недостатки, эта технология очень отзывчива к синхронизациям по частоте, так-же высокий пик-фактор, что приводит к снижению КПД и худшей энерго эфективности. Для борьбы с этими недостатками было выбрана технология SC-FDMA.

SC-FDMA совмещает в себе низкие значения пик-фактора, присущие системам GSM и CDMA, гибкое распределение частот(характерное для OFDMA), высокие длительности символов(сигналов) Для борьбы с пик-факторами ипользуется преобразования Фурье, для этой же задачи OFDMA пользуется QPSK, QAM-16, QAM-64модуляцией.



<sub>Рисунок 3.1 - Сравнение технологий OFDMA и SC-FDMA

В стандарте LTE предусмотренно 2 два типа кадра, под каждый тип дуплекса.



Рисунок 3.2 - Структура кадра для частотного дуплекса

Рассмотрим структуру кадра при частотном дуплексе. Каждый кадр состоит из 20 слотов длительностью Tslot = 15360∙ TS = 0,5 мс. Также выделяется понятие подкадра, который состоит из двух соседних слотов. Таким образом i-й подкадр включает в себя слоты с номерами 2i и 2i+1.

Теперь рассмотрим структуру кадра при временном дуплексе. Кадр также состоит из 10 подкадров длительность 1 мс. Однако в отличие от частотного дуплекса, в некоторых подкадрах идет передача «вниз», а в некоторых «вверх». Кроме того, существуют специальные подкадры, состоящие из трех частей: DwPTS – поля передачи «вниз», GP – защитного интервала и UpPTS – поля передачи «вверх». Существует две возможные конфигурации периодичности подключения с периодом 5 и 10 мс соответственно.
Рисунок 3.3 - структура кадра для временного дуплекса с периодом переключения 5 мс</sub>

2. 
   _{Архитектура LTE}
   

<sub>Стандарт LTE разрабатывался, как система с коммутацией пакетов и его целью является возможность установления IP-соединений между абонентскими станциями и сетью передачи данных. Под термином LTE понимается технология радиодоступа, а под термином EPC (Evolved Packet Core) – опорная сеть оператора. Вместе LTE и EPC образуют EPS (Evolved Packet System).
В EPS используется концепция потоков, для доставки IP-пакетов между шлюзом и сетью передачи данных к абонентам.


Рисунок 3.4 - Архитектура сети стандарта LTE

Serving Gateway (S-GW) – обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций.

Public Data Network Gateway (P-GW) – шлюз к сетям передачи данных других операторов для сети LTE. Основная задача PGW заключается в маршрутизации трафика сети LTE к другим сетям передачи данных, таких как Интернет, а также сетям GSM, UMTS.

Mobility Management Entity (MME) Можно выделить две функции выполняемые MME: Управление потоками. К данной области относится уровень управления сессиями (session management layer) протокола NAS, Управление подключениями. В рамках этой функциональности осуществляется подключения абонентов к сети и создание правил шифрации и кодирования между UE и сетью.

Home Subscriber Server (HSS) – сервер абонентских данных сети сотовой связи стандарта LTE. Представляет собой большую базу данных и предназначен для хранения данных об абонентах.Так-же генерирует данные необходимые для шифрования, аутентификации.

Policy and Charging Rules Function (PCRF) – элемент сети сотовой связи стандарта LTE, отвечающий за управление начислением платы за оказанные услуги связи, а также за качество соединений в соответствии с заданными конкретному абоненту характеристиками.

Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные.</sub>

3. 
   _{Пятое поколение связи(5G)}
   

<sub>Наиболее распространенной технологией 5G является mmWave, но несущие также будут использовать новый спектр в области Wi-Fi ниже 6 ГГц, в полосах ниже 1 ГГц и в существующих диапазонах 4G LTE.Общая идея заключается в том, чтобы значительно увеличить количество доступного спектра путем объединения плюсов и минусов разных частот. Объединение большего спектра с агрегацией несущих позволяет увеличить пропускную способность и значительно повысить скорость для абонентов.

В рамках 5G NR выделяется два диапазона:

Frequency Range 1

FR1 включает традиционные частоты, так называемый диапазон sub-6 GHz, то есть ниже 6 ГГц. Часть диапазонов предыдущих поколений будут переданы под нужды 5G благодаря рефармингу1 частот. Более совершенные технологии кодирования позволят новому поколению связи быть на 30% эффективнее, чем LTE, в том же диапазоне частот.

Frequency Range 2 FR2 — принципиально новые частоты миллиметрового диапазона. Они стартуют с отметки в 24 ГГц, поднимаясь до</sub> 50 ГГц и выше в зависимости от страны и оператора. Эти частоты имеют малую дальность распространения и проникающую способность. Их функционирование обеспечат не традиционные базовые станции, а Small cells — многочисленные малые соты.FR1 неоднороден в различных регионах мира. В Европе и США планируется использовать диапазон 3,4-3,8 ГГц, и наиболее серьёзные разработчики технологий ориентируются именно на него. Япония и Китай планируют использовать 4,4-4,99 ГГц.

<sub>Существует три базовых сценария использования мобильной связи 5G:

Улучшенная мобильная широкополосная связь (англ. enhanced mobile broadband, eMBB).Привычный пользовательский интернет, но более быстрый и качественный. Скорость внутри помещений сможет достигать 1 Гбит/с, а на улице — до 300 Мбит/с. Предельные скорости станут возможны на этапе установки наиболее совершенных антенн, работающих в миллиметровом диапазоне (mmWave). Они удачно впишутся в ландшафт благодаря своим незначительным размерам — например, на столбах, деревьях, стенах зданий.

Сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой (URLLC).Коммуникации, в которых важна не столько скорость, сколько низкая задержка. Это актуально для автономного транспорта, которому в критической ситуации для принятия решения может понадобиться менее миллисекунды. В настоящее время идёт дискуссия о замене подобными технологиями спутниковой навигации.Рисунок 4 — Выделение новых частот для 5G в России Технологии связи пятого поколения 5G

Массовые межмашинные коммуникации (англ. massive machine type communication, мMTC).Межмашинные коммуникации или M2M, а также IoT — отдельный сегмент потребителей связи 5G. Он характеризуется подключением большого числа устройств, чаще всего промышленных, с низким энергопотреблением, для которых основным требованием является стабильность и надёжность подключения. Это, в частности, измерительные устройства, датчики, сенсоры, объекты инфраструктуры умного города.</sub>

4.