LTE Advanced (LTE-A)

LTE Advanced (LTE-A) — стандарт связи, являющийся по сути улучшением стандарта LTE. Главное преимущество LTE-A состоит в возможности одновременно подключаться к сети LTE дважды. Используя на смартфоне сразу два канала для передачи данных, можно качать данные из интернета гораздо быстрее.

Технология работает сама: если мобильная сеть и смартфон поддерживают LTE-A, то двойное подключение по возможности будет происходить автоматически. Ничего настраивать не нужно.

Основные отличия LTE-A от LTE — это агрегация частот (CA - Carrier Aggregation), улучшенное использование многоантенных технологий (MIMO), а также поддержка релейного режима включения базовых станций (RN - Relay Nodes).

В России сети LTE запущены в нескольких диапазонах радиочастот. В частности, 2600 МГц и 1800 МГц. Обычный LTE-смартфон может подключиться либо к одной, либо к другой сети. Если смартфон умеет использовать сети сообща, то скорость мобильного интернета будет суммой тех скоростей, которые могут обеспечить те же сети по отдельности. Технология, позволяющая использовать сети совместно, называется агрегацией радиочастот.

MIMO — это технология множественного ввода-вывода, которая может увеличивать суммарную скорость передачи данных за счет одновременной передачи сигнала с разделением потока данных между двумя или большим числом антенн. Это позволяет повысить спектральную эффективность передачи информации, или, если говорить проще, способ "выжать" больше из имеющегося у оператора частотного ресурса. В LTE-A реализована поддержка MIMO 8x8 в нисходящем канале (от базовой станции к мобильным станциям) и MIMO 4x4 в восходящем канале (от мобильной станции к базовой станции).

Relay Nodes (узлы ретрансляции) — это способ быстро нарастить покрытие сети в местности, где нет мощных каналов передачи цифровых данных. В этом случае радиоподсистема LTE-A сама выполняет функцию беспроводной опорной сети. Это также возможность размещать маломощные базовые станции на краях соты чтобы улучшить там покрытие и емкость. Использование таких узлов позволяет закрыть "дырки" в покрытии и улучшить радиоусловия для пользователей, находящихся на границах соты. Узлы ретрансляции соединяются с базовой станцией через радиоинтерфейс. При этом, может использоваться тот же частотный диапазон, что и для обслуживания мобильных станций или разные частотные диапазоны.

Что такое 5G New Radio (5G NR):

Изначально технология LTE разрабатывалась с целью предоставить высокоскоростную передачу данных (на базе IP протокола). Однако в ходе развития также была добавлена функциональность, чтобы поддержать новые области применения, например, возможность массового подключения низкобюджетных устройств для IoT (Internet of Things), для чего выдвигаются специфические требования к беспроводным сетям передачи данных, и эти требования существенно отличаются от изначально установленных требований к сетям LTE. В отличие от LTE технология 5G изначально разрабатывается для различных областей применения.

Для того, чтобы удовлетворить всё возрастающие требования к мобильной связи, для 5G были разработаны технологии, объединённые под общим названием «новое радио 5G», 5G New Radio (5G NR). По сравнению с радио-интерфейсом в сетях 4G, 5G NR имеет несколько важных преимуществ.

Разработка 5G NR велась практически «с ноля», с учётом требований к сетям 5G и с применением лучших технологий, которые будут доступны к моменту полномасштабного развёртывания сетей 5G. Таким образом, в 5G NR используются новейшие технологии модуляции, образования форм волн (waveforms) и технологий радиодоступа RAT (Radio Access Technology), которые, в т.ч., будут обеспечивать высокую скорость передачи данных и удлинение срока службы батарей пользовательских устройств 5G.

Предварительные требования к технологии 5G NR появились в стандарте 3GPP Release 15, утверждённом в декабре 2017 г.

Первоначальные запуски 5G NR будут зависеть от существующей инфраструктуры 4G LTE в автономном режиме (NSA) до перехода к автономному режиму (SA) с базовой сетью 5G. Кроме того, радиоспектр может динамически распределяться между 4G LTE-A и 5G NR.

Чтобы лучше использовать существующие активы, операторы могут выбрать их динамическое распределение между 4G LTE и 5G NR. Спектр со временем мультиплексируется между обоими поколениями сетей мобильной связи, при этом для функций управления по-прежнему используется сеть 4G LTE, в зависимости от спроса пользователей. Динамическое совместное использование спектра (DSS) может быть развернуто на существующем оборудовании 4G LTE-A при условии, что оно совместимо с 5G NR.

Основные отличительные особенности радио-технологии 5G NR

Добавление новых диапазонов радиоспектра, согласно требованиям к скорости передачи сигналов, числа устройств, роста трафика многочисленных приложений 5G. Новые диапазоны 5G NR лежат в пределах от 2,5 до 40 ГГц. Ведутся обсуждения об использовании спектра до 100 ГГц.

Оптимизированная технология OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Эта технология уже была успешно применена в 4G/LTE-A, а также в последних версиях Wi-Fi.

Формирование лучей (Beamforming). Это технология, которая лишь в последние годы перешла от концепции к реализации, и которая способна реализовать многие преимущества 5G. Beamforming даёт возможность направлять луч радиоволн от базовой станции на определённые устройства, как движущиеся, так и неподвижные, без влияния на другие лучи, направленные на те же устройства.

MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO – Метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, который уже применялся в Wi-Fi и 4G, в 5G был значительно усовершенствован, в частности, в многопользовательском режиме MU-MIMO (Multi-User- MIMO) в базовых станциях 5G gNnodeB (gNB), антенны которых состоят из матрицы излучающих элементов. Это даёт возможность усиливать уровень сигнала для конкретного пользователя, в то же время минимизируя влияние данного сигнала на других пользователей.

Технологии совместного использования спектра (Spectrum sharing). Многие спектры радиочастот, соответствующим образом распределённые, часто не используются эффективно. Для решения этой задачи были разработаны технологии Spectrum sharing.

Унифицированное межчастотное взаимодействие (Unified design across frequencies). Поскольку в 5G NR добавлено множество новых частотных диапазонов, важно обеспечить интерфейс взаимодействия при переходе канала с одной частоты на другую при хендовере между базовыми станциями.

Маленькие соты (Small cells). Уплотнение сетевого покрытия ведёт к тому, что число базовых станций должно увеличиваться. Поэтому было предложено решение Small Cells – решение недорогих, простых в установке и обслуживании базовых станций небольшой мощности. Их можно развешивать на мачтах уличного освещения, на стенах домов и других объектах. Сеть 5G способна эффективно координировать их работу, перераспределяя нагрузку между антеннами. При этом можно использовать распределённые антенные системы DAS (Distributed Antenna System) фактически «закрывая» одной или несколькими базовыми станциями многоэтажные здания. Небольшие антенны с радио-блоками можно располагать практически в каждом помещении, обеспечивая наилучшее качество связи.

Единую инфраструктуру базовых станций и DAS могут использовать несколько операторов связи одновременно.

Три основные области применения для сетей 5G NR

eMBB (enhanced Mobile BroadBand) — предоставление улучшенного широкополосного мобильного доступа.

mMTC (massive Machine-Type Communication) — возможность подключения очень большого числа устройств (датчики, счетчики и т.д.).

URLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication) — предоставление высоконадежного соединения с очень низкой задержкой передачи данных.

eMBB (enhanced Mobile BroadBand)

Предоставление улучшенного мобильного широкополосного доступа — это поступательное развитие сетей мобильной передачи данных. Как уже отмечалось выше, это начальная область применения технологии LTE, для которой она и разрабатывалась. Технология 5G должна обеспечить еще более высокий уровень обслуживания для абонентов и еще более высокие скорости передачи данных. В качестве целевых значений для скорости передачи данных в 5G рассматриваются десятки гигабит с секунду (а именно до 20 Гбит/с в нисходящем канале). Для того, чтобы обеспечить такие высокие скорости передачи данных используются очень широкий канал (до 1-2 ГГц) и многоантенные технологии передачи данных. Так как практически весь диапазон низких частот (частоты <6 ГГц) уже распределен, для того, чтобы иметь возможность использовать каналы шириной в несколько сотен МГц или даже единиц ГГц, для технологии 5G предполагается использование миллиметрового диапазона частот (например, 28 ГГц). Именно в этом диапазоне имеется необходимое количество свободных (или условно свободных) частот. Также для технологии 5G используются и более низкие частоты сантиметрового диапазона (например, 3.5 ГГц) и частоты ниже 1 ГГц.

Ощутимый рост показателя скорости широкополосного доступа в сетях 5G будет в основном обеспечиваться за счет применения технологии Massive MIMO (данная технология подразумевает использование многоэлементных цифровых антенных решеток, с количеством антенных элементов 128, 256 и более) при передаче данных в более высоком миллиметровом диапазоне волн (известен как mmWave, который соответствует частотам от 30 ГГц до 300 ГГц), а также новыми радио-алгоритмами, которые позволят более эффективно использовать имеющийся частотный ресурс. Новый дизайн архитектур и алгоритмов окажет существенное влияние на все составные части новых 5G-систем, от антенн и радиочастотных составных элементов передающего оборудования до алгоритмов обработки исходного сигнала (baseband). Производительность этих подсистем настолько тесно связана, что их необходимо разрабатывать и оценивать вместе.

Новые разработки 5G в новом миллиметровом диапазоне волн также потребуют использование антенных решеток Massive MIMO с сотнями антенных элементов на базовых станциях сети (eNodeB). Наличие множества антенных элементов, компактно размещаемых в пределах относительно небольшого пространства, является чрезвычайно важным фактором, оказывающим существенное влияние на достижение высокой эффективности применения технологии формирования адаптивной диаграммы направленности для частот mmWave. Так как от рабочей длины волны напрямую зависит допустимый размер излучающих элементов, то размер новых антенных элементов может оказаться до 100 раз меньше, чем применяемые сейчас в современных антенных решетках для сверхвысоких частот. Высоконаправленные лучи позволяют также минимизировать потери при передаче сигнала, так как фокусировка мощности передачи сигнала осуществляется в определенном направлении.

Многоантенные технологии позволяют формировать диаграмму направленности (создавать так называемые лучи, "beam"), что увеличивает спектральную эффективность системы, а также расширяет зону покрытия сети. Последнее является особенно важным при использовании частот из миллиметрового диапазона.

mMTC (massive Machine-Type Communication)

Данная область применения характеризуется возможностью подключения очень большого количество дешевых (стоимостью менее 5$) устройств. Примерами таких устройств служат различные датчики (например, датчики пожарной сигнализации, задымления, температуры), счетчики (воды, газа, тепла и т.п.), сенсоры и т.д. Кроме низкой стоимости, отличительной особенностью таких устройств является низкое энергопотребление. Это необходимо для того, чтобы обеспечить продолжительное время (несколько лет) работы от автономных источников питания (например, батареек). Объемы данных, передаваемые этими устройствами, также незначительные. Поэтому высокие скорости передачи данных в mMTC области не являются критическим аспектом.

URLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication)

Данный тип сервиса отличается низкими задержками передачи данных (<1 мс в одну сторону) и высокой надежностью и доступностью соединения. Примерами сценариев или областей применения, где выдвигаются такого рода требования, служат: удаленное управление различными механизмами и роботами; автоматизация производственных линий; различные сценарии в области беспилотного транспорта (Vehical to Everything, V2X) и т.д. Для того, чтобы поддержать выдвигаемые данными сценариями требования в спецификациях 5G предусмотрен набор специальных механизмов. Например, поддержка так называемых mini-slot, которая позволяет передавать данные на радиоинтерфейсе между базовой станцией (gNB) и абонентским устройством (UE) в течение очень короткого интервала времени (доли мс). Кроме этого, в технологии 5G заметно выше требования к времени обработки данных как на стороне базовой станции, так и на стороне мобильного терминала (т.е. времени на обработку данных отводится существенно меньше по сравнению с тем, которое было отведено в технологии LTE).

Услуги и возможности сетей 5G NR

На основе этих трёх основных областей применения строится всё многообразие услуг и возможностей сетей 5G NR

Гигабайты в секунду. Сети 5G способны значительно повысить скорость передачи данных через различные технологии радиодоступа (RAT), и при помощи задействования новых спектров радиочастот 5G NR (New Radio). Пользователь получает практически неограниченную полосу пропускания, как для домашнего использования различных сервисов, так и для целей предприятий (Immersive Telepresence, Industrial IoT и пр.)

Умный дом. Целый спектр различных сервисов интернета вещей (IoT) будет доступен для решения «Умный дом» (Smart Home) и «Умное здание» (Smart Building): видеонаблюдение, управление и автоматизация бытовой техники, управление системами безопасности, хранилища контента, климатика и пр.

Умный город. Решение «Умный город» — это горизонтальное и вертикальное масштабирование функционала и спектра сервисов «Умного дома». Основные сервисы «Умного города»: Безопасный город, электронное правительство e-Government, электронное здравоохранение e-Health, электронное образование e-Education, электронный банкинг e-Bank, электронный сбор показаний ЖКХ Smart Meters, «умные электросети» Smart Grid, и пр.

Новые видеоуслуги 4К/8К: Объёмное видео, экран сверхвысокой чёткости (UHD), возможность эффекта присутствия.

Работа в облаке. Сервис даёт возможность не только хранить данные в облачном хранилище и извлекать их оттуда, но и использовать прикладные программы, которые работают непосредственно из облака. Причем, с возможностью их использования на любом устройстве и из любого местоположения. Кроме того, имеется возможность использования интерфейсов прикладного программирования API, через которые облачные сервис-провайдеры могут предоставлять свои услуги абонентам оператора сети 5G.

Дополненная и виртуальная реальность (AR/VR). Сервис виртуальной реальности VR (Virtual Reality) погружает человека в иной мир, воздействуя на его органы чувств, прежде всего зрение (VR-очки). Сервис дополненной реальности AR (Augmented Reality) комбинирует для пользователя реальную среду с виртуальными предметами. Эти сервисы пригодны не только для развлечения, игр, виртуального общения в режиме «телеприсутствия», но также могут существенно улучшить процесс обучения, когда студенты при помощи VR-очков могут, например, наглядно видеть внутреннее строение человека на лекции по анатомии, мастер в цехе может изучить порядок сборки сложного агрегата и пр.

Промышленная автоматизация. Сеть 5G, вкупе с технологией интернета вещей IoT, при помощи промышленных датчиков IIoT (Industrial Internet of things), а также при помощи искусственного интеллекта ИИ (AI, Artificial Intelligence) способны существенно повысить степень автоматизации производства. При этом становится возможным в режиме реального времени анализировать большие объёмы разнородных данных (Big Data) и на основе полученных выводов (insights) и с использованием машинного и глубокого обучения (Machine learning, Deep learning).

Бизнес-критичные приложения (Mission Critical Applications). К этим приложениям могут относиться, например, электронная медицина (e-Health), связь при чрезвычайных ситуациях (Mission Critical Communication), тактильный интернет (Tactile Internet) и другие.

Беспилотный транспорт (Driverless Vehicles). Беспилотный транспорт может выступать как часть услуги «Умный город», однако, может предоставляться на собственной платформе. В него входят не только беспилотные автомобили (driverless cars), но также и беспилотные тракторы для «умного сельского хозяйства» (Smart Agriculture), беспилотные поезда для метро и пригородных железных дорог, дроны и другие виды общественного и специального транспорта. Кроме того, на платформе 5G возможна реализация систем помощи водителю ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems).

Здесь приведены лишь некоторые услуги и решения платформы 5G. В отличие от сетей предыдущих поколений, спектр услуг которых был жёстко ограничен и несколько расширен в 4G, услуги платформы 5G носят синергетический и масштабируемый характер, и не ограничены однажды заданным функционалом. Фактически, 5G играет роль платформы для режима разработки новых услуг и приложений DevOps, когда новые функции создаются разработчиками (Development) в тесной координации с командами, которые отвечают за их внедрение и эксплуатацию (Operation).

В целом, можно сказать, что сеть 5G вбирает в себя не только мобильные, но также и фиксированные услуги связи, а также высокоскоростной доступ в интернет с малой задержкой (см. рис. ниже), и, кроме того, специализированные и корпоративные сети для вертикальных отраслей экономики.

Характеристики 5G / New Radio

Как видно из приведенных выше областей применения технологии 5G, набор требований, предъявляемый к этой новой технологии, очень обширен. И более того, некоторые области применения выдвигают в какой-то степени конфликтующие между собой требования. Что делает разработку 5G спецификаций и последующую реализацию этих спецификаций производителями оборудования крайне затруднительной и трудоемкой задачей. Ниже приводится список основных требований, которым должна соответствовать технология 5G. Стоит отметить, что большинство приведенных значений представляют граничные случаи и вряд ли будет возможность достичь все эти граничные значения одновременно (например, обеспечить передачу данных со скоростью 20 Гбит/с с задержкой <1 мс для всех пользователей в сети).

Практические преимущества 5G

Платформа сети 5G предоставляет для операторов значительные преимущества, выражающиеся прежде всего, в расширении функциональных возможностях и характеристик сети (performance) и повышении удовлетворённости пользователей (User Experience). На рисунке ниже показаны основные параметры сети IMT2020 (5G), по сравнению с показателями IMT-Advanced (4G), которые позволяют этого достичь.

• Пиковая скорость: сеть 5G обеспечивает в 20 раз бòльшую скорость по сравнению с 4G, то есть, около 20 Гбит/с.
• Скорость на пользователя (средняя) при этом может достигать 100 Мбит/с и более.
• Эффективность использования спектра, количество информации, которую можно передать на единицу частотного диапазона, в сети 5G будет по крайней мере в 3 раза выше, чем в 4G.
• Мобильность пользователя, скорость, с которой может перемещаться пользователь с терминалом 5G по площади покрытия сети без потери хендовера между базовыми станциями, в сети 5G достигает 500 км/час, что даёт возможность пользоваться услугами 5G в скоростных поездах.
• Задержка в сети 5G снижается до 1 мс и менее, в то время как в сети 4G можно достичь минимум 10-миллисекундной задержки. Это позволяет использовать технологию 5G для критичных коммуникаций и видеонаблюдения, услуг тактильного интернета, AR/VR и пр.
• Плотность терминалов в сети 5G повышается на порядок и может достигать нескольких миллионов устройств на 1 кв. км, то есть, на 1 квадратном метре поверхности могут располагаться несколько десятков или даже сотен миниатюрных устройств (например, сенсоров IoT).
• Энергоэффективность сети 5G на порядок лучше, чем в сети предыдущего поколения.
• Ёмкость трафика на единицу площади, то есть скорость передачи данных квадратный метр площади покрытия сети, в 5G на два порядка выше, чем в сети 4G.

Архитектура опорной сети (Core Network) 5G

Особенность архитектуры сети 5G состоит в том, что традиционное понятие «архитектура сети», основанной на аппаратных решениях, в сети 5G теряет актуальность.

Поэтому 5G чаще называют не сетью, а системой, или «платформой», под которой имеется в виду платформа программная, а не аппаратная. Если сети 1/2/3/4G строились на базе аппаратных решений (оборудования), то платформа 5G строится на базе программных решений, в частности, программно-конфигурируемых сетей SDN (Software Defined Network), а также виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization).

Функции 5G реализуются в виртуальных программных функциях VNF (Virtual Network Function), которые работают в инфраструктуре NFV. Различие между этими похожими по звучанию понятиями состоит в том, что VNF – это функция, а NFV – это технология. В свою очередь, NFV реализуется в физической инфраструктуре дата-центров (data center, DC, центр обработки данных, ЦОД), на базе стандартного коммерческого оборудования COTS (Commercial Off The Shelf). Оборудование COTS включает лишь три вида стандартных, относительно недорогих устройств – сервер (вычислительное устройство), коммутатор (сетевое устройство) и система хранения данных (устройство хранения).

Таким образом, оборудование традиционных сетей мобильной связи заменяется на программные сущности, работающие в дата-центрах на стандартных серверах и виртуальных машинах VM (virtual machines).

Для реализации программных функций, кроме виртуальных машин, также будут использоваться программные контейнеры (containers), а также программная архитектура микросервисов (microservice).

Распределённая архитектура сети мобильного доступа D-RAN (Distributed RAN) в сетях 4G постепенно эволюционирует к централизованной архитектуре C-RAN (Centralized RAN).

В архитектуре 5G функции опорной сети реализуются в центральном облаке Central Cloud (Cloud RAN), на виртуальных машинах VM.

Важную роль в развитии сетей 5G будут играть также граничное облако (Edge Cloud), в частности, технология MEC (Mobile Edge Cloud), а также «туманное облако» (Fog Cloud).

Виртуализация сети на базе NFV/SDN необходима также для очень полезной функции 5G: логической сетевой нарезки (Network Slicing).

Технология Network Slicing позволяет на базе единого объёма (пула) сетевых ресурсов производить логическое разделение сетей для различных типов услуг 5G, которым требуются различные технологии радиодоступа RAT (Radio Access Technology), с различными характеристиками сред передачи данных. Это, например, услуги:

• Высококачественное видео UHD
• Голосовые услуги (5G Voice)
• Интернет вещей с большим количеством датчиков, сенсоров и исполнительных устройств (Massive IoT)
• Интернет вещей для критичных приложений, таких, например, как беспилотный транспорт (V2X), электронная медицина (Mission Critical IoT)
• и многие другие.

Все эти услуги, предоставляемые на базе технологии Network Slicing работают на единой физической инфраструктуре дата-центров центрального и граничного облака, а также «туманной» инфраструктуры (Fog Computing), необходимой для Massive IoT и промышленного интернета вещей IIoT (Industrial IoT).

Это даёт возможность многократного использования однажды созданной программно-аппаратной инфраструктуры, а также гибкое переназначение её наличных ресурсов. Кроме того, такой подход позволяет снизить не только капитальные затраты на строительство сети, но и операционные затраты на её обслуживание.

Нарезка сетевых ресурсов (Network Slicing)

В 5G используется такая концепция, как network slicing. Это, грубо говоря, нарезка сетевых ресурсов под разные типы трафика, причем для каждого слайса (буквально — куска сети) может использоваться своя технология передачи данных. Благодаря гибкости подхода можно удовлетворить самые разные и даже противоречивые требования пользователей разных типов. Для передачи веб-данных вполне подходит LTE — его нужно только немного доработать, повысить скорость.

Для передачи данных с маленькой задержкой будет использоваться специальный слайс, который называется ultra-reliable low latency communication. Он позволяет передавать данные с крайне низкой задержкой. Если в LTE минимальная длительность передачи одна миллисекунда, то здесь минимальная длительность передачи будет длиться доли миллисекунды, а надежность будет очень высокой, до 99,999%.

Отдельный слайс в рамках 5G отведен IoT. Он позволяет передавать данные большим числом устройств с низким энергопотреблением.

Кроме того, будет слайс для высокоскоростной передачи данных в миллиметровом диапазоне, то есть в диапазоне частот от 30 до 300 ГГц. Например, в привычном диапазоне 2–5 ГГц ширина используемого частотного канала, в котором передаются данные, относительно небольшая и составляет единицы, реже — десятки МГц. В диапазоне 40–70 ГГц доступного для использования спектра существенно больше, что позволит увеличить ширину частотного канала до сотен и тысяч МГц и более. Таким образом, миллиметровый диапазон — это практически «эквивалент бесконечности» для операторов (в смысле объема доступных канальных ресурсов). Проблема заключается в том, что приходится передавать данные только устройствам, которые находятся в прямой зоне видимости, иначе качество сигнала резко падает.

В некотором смысле 5G станет «слоеным пирогом», совмещающим различные технологии, использование каждой из которых будет определяться в зависимости от требований конкретного пользователя.