Научный руководитель: Панин Д.Н.
Одним из главных направлений в области телекоммуникации в настоящее время является сотовая связь. Интерес научного сообщества в первую очередь обусловлен конвергенцией сетей и глобализацией телекоммуникационных услуг [1]. Со временем растут требования к таким параметрам, как: пропускная способность сети, количество подключенных устройств, снижение задержек и объем трафика сети [2]. Актуальной проблемой является экспоненциальный рост нагрузки мобильных сетей, первопричиной которой является интернетизация. На сегодняшний момент успешно реализованы четыре поколения сотовой связи, ведется развертывание технологии пятого поколения. Ключевые характеристики 5G включают высокую пропускную способность, большее количество подключенных устройств, улучшенную энергоэффективность, лучшую поддержку мобильности и снижение задержек передачи данных. Учитывая возможные преимущества данного вида связи, актуальным является их дальнейший анализ. В работе рассмотрены основные параметры сети 5G. Целью данной работы является изучение сетей пятого поколения.
По сравнению с предыдущими годами количество пользователей сети Интернет заметно возросло. По результатам статистики ITU (Международного союза электросвязи) на 2019 год приходится 53,6 % пользователей сети, что составляет 4,1 миллиарда человек – это на 24,3 % больше, чем в 2010 году.
Основной причиной роста пользователей сети является «mobile revolution» (мобильная революция), которая прошла в 2010 году. С внедрением в мир устройств беспроводной связи увеличился приток новых пользователей сети Интернет что, соответственно, увеличило нагрузку на мобильную сеть, и может привести к нехватке емкости этих сетей в дальнейшей перспективе. Таким образом, целесообразным является исследования и развитие в области беспроводных технологий.
5G (5th Generation) – термин, используемый для обозначения следующего основного этапа стандартов мобильной связи, выходящего за рамки текущей технологии четвертого поколения 4G / IMT-Advanced. Переход на концепцию пятого поколения есть действия в ответ на растущий спрос в области беспроводных технологий. Основная цель беспроводной технологии пятого поколения состоит в поддержке трех услуг с различными требованиями. С целью удовлетворить эти требования выполняется разделение сети, в результате которого каждой службе выделяются ресурсы для их задач [3,6].
Таким образом, данными услугами являются:
– Расширенная мобильная широкополосная связь eMBB (enhanced Mobile Broadband). Данная услуга обеспечивает работу ресурсоемких приложений.
– Массивные коммуникации машинного типа mMTC (massive Machine – type communi – cations). Данная услуга обеспечивает работу internet of things (интернет вещей).
– Сверхнадёжная связь с малой задержкой URLLC (Ultra – reliable Low – latency communications). Данная услуга обеспечивает автоматизацию приложений.
Как и любая другая сотовая сеть, сети 5G будут состоять из ячеек, разделенных на сектора, и передавать данные по радиоволнам. Каждая ячейка подключена к магистральной сети через проводное или беспроводное соединение [4]. Учитывая тот факт, что большинство людей используют беспроводную сеть в помещениях, действующей проблемой является затухание радиосигнала. Таким образом, для повышения эффективности сети имеет место разделение ячеек на фемто, пико и микросоты. Данная технология получила название Small cells (малые соты) [6]. Она используются для улучшения покрытия сети, и работает как базовая станция сетевой связи в определенном частотном диапазоне, предназначенная для обслуживания не очень большой территории. Благодаря этому методу можно сократить затраты на энергопотребление. В концепции пятого поколения она используется для технологий massive MIMO и Beamforming. Massive MIMO расшифровывается как технология множественного ввода-вывода, представляющая собой системы, состоящие из многочисленных антенн, которые соединены с фемто, пико или микросотами [4]. Она представлена на рис. 3. Данная система разбивает сигналы с высокой скоростью передачи данных на несколько сигналов с меньшей скоростью передачи данных [3, 5].
Преимущество данной системы состоит, в первую очередь, в энергоэффективности и повышенной пропускной способности. Beamforming или метод формирования луча используется для передачи и приема сигналов в massive MIMO. Данная технология формирует электромагнитное поля антенны базовой станции в виде узконаправленного главного лепестка, который направлен в сторону устройства абонента [3, 5]. Благодаря ей будет уменьшено энергопотребление, снижен уровень помех и повысится эффективность распространения радиосигналов. Таким образом, главные достоинства беспроводной технологии 5G являются:
– Повышенная энергоэффективность.
– Большая пропускная способность сети.
– Меньшая задержка сети.
– Меньший уровень помех и большая
стабильность.
Рис. 1. Статистика пользователей Интернета, 2005-2019 г.
Рис. 2. Услуги беспроводной сети 5G
Рис. 3. Технология massive MIMO
Рис. 4. Сравнение технических характеристик IMT – Advanced и IMT2020
На сегодняшний день технология 4G уже широко распространена в мире, однако сеть 5G обладает лучшими параметрами. На рис. 4 представлены основные параметры сети IMT2020 (рабочее название сети 5G по стандартам 3GPP), по сравнению с показателями IMT – Advanced (рабочее название сети 4G по стандартам 3GPP) [6]. Из рис. 4 видно, что сеть IMT2020 существенно превосходит по параметрам IMT – Advanced. LTE обладает гораздо меньшей пропускной способностью, спектральной эффективностью, мобильностью, энергоэффективностью, плотностью распределения трафика и большей задержкой.
Диапазон частот 5G будет разделен на два спектра: высокочастотный (3,4-3,8 и 4,8-4,99 ГГц) и низкочастотный (24,5-29,5, 37-43,5 и 66-71 ГГц) [6].
Главными недостатками концепции 5G являются:
– Проблема интеграции устройств с сетями предшественниками.
– Проблема дефицита частот.
– Большие финансовые затраты при развертывании вышек.
– Поднятие стоимости на услуги связи.
Проблема интеграции устройств с сетями предыдущих поколений существует довольно давно. Как известно, устройства, работающие на сетях предыдущих поколений не способны успешно кооперировать с сетями новых поколений. Таким образом, устройства третьего и четвертого не смогут подключаться к сети пятого поколения. Проблема дефицита частот заключается в физической ограниченности радиосигнала. Некоторые диапазоны, резервируемые для сетей пятого поколения, уже зарезервированы для различных сфер общества. Другая проблема заключается в неизбежных высоких финансовых затратах при стандартизации новой технологии, которые повлекут за собой повышение цен на услуги связи.
Беспроводная связь в современном обществе является одной из важных инновационных технологий в области телекоммуникаций. С масштабом интернетизации, растет интерес сообщества к беспроводным технологиям. Целесообразным являются развития в области телекоммуникации и беспроводных систем. Концепция пятого поколения представляет собой многофункциональную технологию, которая будет востребована в ближайшем будущем.