оборудование систем связи. реферат оборудование систем связи. Концепция создания и развития сетей 5Gimt2020 в Российской Федерации
 Скачать 1.86 Mb.
|
|
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. |