Области применения 5G / New Radio
Технология 5G или New Radio (NR) - это следующее поколение мобильных сетей (пятое по счету), которое следует за технологией четвертого поколения (4G) LTE (при этом дальнейшие развитие LTE не прекращается и продолжается разработка новой и расширение существующей функциональности для этой технологии). 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 (прим. здесь и далее под "областью применения" имеется в виду англоязычное словосочетание "use case", если не отмечено иного). 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 разрабатывается для различных областей применения изначально.
Принято выделять три основные области применения для сетей 5G (см. рисунок ниже):
- 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.Многоантенные технологии позволяют формировать диаграмму направленности (создавать так называемые лучи, в англ. "beam"), что увеличивает спектральную эффективность системы, а также расширяет зону покрытия сети. Последнее является особенно важным при использовании частот из миллиметрового диапазона. Ниже приводится ориентировочная таблица со скоростями передачи данных в зависимости от частотного диапазона (источник).
| Частотный диапазон, ГГц | Ширина канала, МГц | MIMO | Максимальная скорость передачи данных, Гбит/с |
|---|---|---|---|
| 24 - 28 | 1000 | 2х2 / 4х4 | 10 / 20 |
| 3.3 - 4.9 | 100 | 4х4 | 2 |
| <1 | 20 | 2х2 | 0.2 |
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).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).| Параметр | Целевое значение | Комментарии |
|---|---|---|
| Максимальная скорость передачи данных | DL: 20 Гбит/с UL: 10 Гбит/с |
Предполагаются идеальные радиоусловия (т.е. нет ошибок при передаче данных), весь радиоресурс используется и отдан одному абонентскому устройству |
| Максимальная спектральная эффективность | DL: 30 бит/Гц/с UL: 15 бит/Гц/с |
см. комментарий выше |
| Ширина канала | от МГц до ГГц | 5G спецификации разработаны с очень большой гибкостью, которая позволяет эффективно использовать каналы различной ширины от нескольких МГц до ГГц |
| Задержка передачи данных | URLLC: 0.5 мс eMBB: 4 мс |
Приводятся значения для передачи данных в одну сторону |
| Надежность передачи данных |
URLLC: 1-10-5 eV2X: 1-10-5 |
Данный параметр определяет вероятность успешной передачи Х байт данных с определенной задержкой. URLLC: X = 32 байта, задержка 1 мс eV2X: X = 300 байт, задержка 3-10 мс |
| Зона покрытия | 164 дБ | Данное значение задает MaxCL (Maximum Coupling Loss) - это максимальное затухание сигнала, при котором данные могут быть успешно приняты. Значение MaxCL является разностью между мощностью передачи и чувствительностью приемника. Указанное значение MaxCL задано при скорости передачи данных равной 160 бит/с |
| Время работы абонентского терминала | >10 лет желательно 15 лет |
Эти значения заданы только для mMTC случаев. Данный параметр задает время работы абонентского терминала без подзарядки / замены батареек. При этом предполагается, что объем передаваемых данных в восходящем канале не превышает 200 байт, а в нисходящем канале не более 20 байт в день. |
| Практические скорости передачи данных | DL: 100 Мбит/с UL: 50 Мбит/с |
|
| Плотность абонентов | 1 000 000 шт/км2 | |
| Мобильность | 500 км/ч | Максимальная скорость движения абонента, при которой соблюдаются параметры качества обслуживания (QoS) |
Больше деталей можно найти в 3GPP TR 38.913 "Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies".
Если вы не нашли интересующую вас информацию по 5G в этой статье, напишите мне об этом письмо на alexey.anisimov86@gmail.com.