В рамках какого протокола nr 5g решаются задачи harq

Обновлено: 02.07.2024

Большие данные генерируются вокруг нас постоянно, любая информация всегда приходит с другой информацией, и в итоге появляется большое количество данных, которые нуждаются в поддержке или хранении в базе данных.

Основной задачей крупных центров обработки данных (ЦОД) является сбор данных в большом количестве и комплексная их обработка , что требует наличия хорошей системы управления, способной справляться со всеми сложностями, возникающими при обращении к ним. Возникает необходимость сосредотачивать и расширять трафик, а для оптимизации управления производительностью требуются новые системные средства. Поступающие от устройств большие объемы данных обуславливают проблему текущего управления ими, так как этот процесс должен происходить без каких-либо потерь и задержек и с высокой пропускной способностью. Но и после интеграции системы управления в облако по-прежнему возникают трудности для обслуживания всех потоков данных и транзакций.

Мобильность людей с носимыми устройствами, такими как смартфон или планшет, является расширением концепции Интернета вещей (IoT), при этом каждый человек имеет свой собственный уникальный IP-адрес для каждого имеющегося устройства. Будущее Интернета вещей представляется нам как управление устройствами (с уникальными IP), перевозимыми людьми по всему миру, в качестве концентраторов и интерфейсов для других устройств. Множество устройств с функциями Интернета вещей имеют возможность видеть друг друга, а также коммуницировать между собой. Появление интернет-протокола версии 6 (IPv6) и беспроводных сетей малой мощности будет способствовать развитию такого взаимодействия и сбору данных через мобильные устройства. С внедрением протокола IPv6 появятся миллиарды уникальных IP-адресов для устройств и датчиков, применяемых в системах типа Умный дом, таких как приборы для слежения за ценностями (управление активами), домашнее оборудование для контроля и безопасности.

Пятое поколение (5G) является перспективной технологией для дальнейшего развития телекоммуникационной инфраструктуры. В настоящее время использование спектра радиочастот в различных областях (информационные системы, промышленность, медицина, образование и т. д.) носит несколько беспорядочный характер. Поскольку предполагается, что к 2020 г. к Интернету будут подключены 50 млрд устройств, альтернативным вариантам использования спектра частот для подключения устройств должно быть уделено пристальное внимание, иначе возможность системы удовлетворить такой повышенный спрос представляется сомнительной. Большое количество устройств и машин, подключенных к Интернету, появится и в связи с бумом неодушевленных объектов, использующих сеть 5G в рамках концепции IoT.

В статье, в основном, обсуждается использование технологии 5G и систем беспроводной связи для размещения большого количества устройств и емкостей для Центров больших данных (Big Data Center, BDC). Перспективным является использование 5G в качестве альтернативы магистральным сетям и фреймворку для инфраструктуры больших данных, так как эта технология должна позволить достичь высоких скоростей при передаче данных. Новая сетевая архитектура предлагает поддержку беспроводной связи для транзакций больших данных и для эффективного и результативного общения устройств в сети.

Существует достаточно много публикаций, в которых обсуждается использование беспроводных технологий в сети передачи данных и сценарии такой архитектуры.

Так, в [2] предлагается всеобъемлющая основа для расширения возможностей самоорганизующихся (самоуправляемых) сетей (Self Organized Network, SON) для больших данных, описываются требования для адресов при использовании технологии 5G, а также дана характеристика больших данных в контексте мобильных сетей будущего, определяются их источники и дальнейшее использование.

В [3] отмечается, что пространство больших данных может сыграть ключевую роль для многих появляющихся беспроводных сетевых приложений, а также утверждается, что пространственно-временные проблемы сами по себе очень важны в контексте больших данных, по сравнению с обычно рассматриваемыми проблемами. Каждый из трех основных сценариев использования пространств больших данных предлагает конкретные проектные и исследовательские задачи. В этой публикации представлены разработки масштабируемых приложений параллельной обработки пространств данных в Hadoop Framework, использующем модель распределенных вычислений MapReduce.

Материалы [4] и [5] посвящены обсуждению системы мониторинга и анализа трафика для крупномасштабных сетей. Эта система сделана на базе Hadoop. Как указано в статьях, это платформа распределенных вычислений с открытым исходным кодом для обработки больших данных на стандартном оборудовании. Система была развернута в головном центре крупной сотовой сети.

В [6] рассматриваются задачи и требования при проектировании 5G-сетей для центров обработки больших данных, обсуждается, как облачные технологии и гибкое функциональное распределение в радиодоступных сетях позволяют уплотнить сеть и централизованно управлять такой сетью с радиодоступом посредством гетерогенных транзитных сетей. Кроме того, в статье обсуждаются фундаментальные концепции развития архитектуры сети LTE 3GPP, а также описываются ожидаемые выгоды.

Предложение возможной сотовой архитектуры, которая отделит внутренний и внешний сценарии, обсуждение различных перспективных технологий систем беспроводной 5G-связи, таких как массивы MIMO (Multiple Input Multiple Output метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн), энергоэффективные коммуникации, когнитивные радиосети, и коммуникации видимого света приведены в [14].

В публикациях [15] и [16] обсуждаются будущие задачи, с которыми столкнутся эти возможные технологии, выделено несколько перспективных технологий, которые будут меняться и, в итоге, определят будущие поколения телекоммуникационных стандартов. Предложено пять технологий для сетей 5G, которые могут привести как к архитектурным, так и к разрушающим компонентным изменениям дизайна. Идеи для каждой технологии описаны в контексте их потенциального воздействия на 5G, а также относительно исследования проблем в беспроводной сети для архитектуры больших данных. Ожидается, что можно будет достичь высокой скорости магистральной сети 5G, а использование узла C в качестве новой коммуникационной сущности будет определяться конвергенцией уже имеющихся родительских базовых станций ([17, 18]).

Эра больших данных

На рис. 1 показана архитектура больших данных: они поступают из множественных источников различных типов, затем анализ потока данных проходит в соответствии с кластерами данных, а также в соответствии с поисковыми данными и запросами.

Рис. 1. Архитектура аналитики больших данных

Определение больших данных в соответствии с нуждами промышленности состоит из нескольких параметров, таких как:

Несколько информационных источников, как было сказано выше, принимают исходные необработанные данные для ЦОД в огромных количествах. Все эти данные потом пересылаются на промежуточную обработку больших данных, и только полезные или ценные из них выбираются и доставляются пользователю. Этот процесс называется подготовкой больших данных, поскольку на этой стадии большое количество данных классифицируется в соответствии со структурой и типом данных. На рис. 2 показана блок-схема процесса промежуточной обработки (подготовки) больших данных для их классификации. Процесс такой подготовки необходим в целях повышения эффективности и быстроты, иначе большое количество данных будет влиять на время обработки и на точность.

Рис. 2. Процесс подготовки больших данных

Технологии 5G

Высокоскоростную сеть передачи данных обычно строят в проводных архитектурах (кабель или оптическое волокно), а беспроводная технология является альтернативной сетью для передачи данных, выстраиваемой в параллели к этой проводной системе. Эволюция радиосвязи, являющейся аналоговой системой, к подвижной (мобильной) радиосвязи началась уже с первого поколения (1G) и продолжалась в течение всего второго и третьего поколений (2G и 3G). Затем в 2010 г. было внедрено четвертое поколение мобильной связи (4G) для увеличения скоростей и получения более высокой пропускной способности для передачи данных.

Пятое поколение беспроводной, или мобильной, сети (5G) обладает способностью поддерживать связь на еще более высоких скоростях. Для таких соединений ожидается возможность поддержки не менее 100 млрд устройств при скорости передачи данных 10 Гбит/с на каждого пользователя с ничтожными уровнем задержки и временем отклика. Внедрение и развертывание технологии 5G ожидается в 2020 г., в настоящее время проводятся исследования и разработка, а также происходит стандартизация. Использование 5G-сетей будет ожидаемо расти в период между 2020 и 2030 гг., сразу же после развертывания. В любом случае, сети 5G будут наслаиваться на уже существующие беспроводные технологии, такие как глобальная система мобильной связи (GSM) и беспроводная связь (Wi-Fi), которые также являются технологиями радиодоступа. Технология 5G способна стать образцом для будущего планирования умных городов и для реализации очень высокоскоростной сети передачи данных для миллионов пользователей и устройств.

Рис. 3 иллюстрирует преимущества 5G-технологии по пяти категориям.

Рис. 3. Преимущества 5G-технологии по пяти категориям

Специальный стандарт пятого поколения для беспроводной сети также связан со стандартизацией беспроводной связи (Wi-Fi), которая эволюционировала из беспроводной технологии, появившейся еще в 1997 г. Эта технология стандартизуется по IEEE 802.11, и ее способность в скорости передачи данных не превышает 2 Мбит/с. С течением времени продолжалось увеличение скоростей (рис. 4). Последний стандарт четвертого поколения устанавливает максимальную скорость передачи данных до 600 Мбит/с. В настоящее время в готовящемся стандарте 5G для Wi-Fi предполагается достичь очень высокой скорости передачи данных (в гигабитах). Из-за увеличения возможностей по быстроте в сто раз, а также вследствие уменьшения задержек ожидается также появление новых технологий для увеличения сроков работы батарей для устройств 5G (по сравнению с 4G).

Рис. 4. Эволюция Wi-Fi 5G-стандарта

Сеть больших данных и 5G-технология

Рис. 5. Иллюстрация беспроводной 5G-архитектуры

Технология 5G рассматривается как ключевой фактор для Интернета вещей, а в последующую эру ожидается привязка для подключения к Интернету всего чего угодно, включая даже целые народы. Миллиарды датчиков будут подключаться к безопасным системам: это датчики бытовой техники, медицинских мониторов, дверных замков, автомобилей и различных носимых вещей, таких как умные часы (смарт-часы). Исследователи и аналитики из фирмы Gartner прогнозируют, что количество сетевых устройств, подключенных к Интернету, будет стремительно нарастать от примерно 5 млрд в 2015 г. до 25 млрд к 2020 г. [19]. Чтобы добиться желаемого уровня работы 5G-сети, переносчикам устройств и гаджетов будет необходима поддержка высокопроизводительной сетевой инфраструктуры между мобильными устройствами и большими антеннами, что позволит получать сервис от базовых станций. Переносчики устройств также будут подвигать провайдеров к тому, чтобы базовые станции устанавливались более плотно, даже буквально в нескольких сотнях метров друг от друга, что повысит качество услуг на мобильных устройствах. Сегодняшний телекоммуникационный провайдер использует для общения низкие частоты от 100 МГц до 3 ГГц, а грядущей 5G-сети потребуется эксплуатация более высоких частотных диапазонов. Но радиоволны на высоких частотах куда сложнее передавать на большие расстояния, в особенности если здания и стены блокируют сигнал. Некоторые новые методы, компенсирующие неудобства переносчикам устройств, опираются на передовые антенные технологии. Они включают технологию массивов MIMO (множественный вход множественный выход), которые параллельно посылают много радиосигналов и формируют луч, в котором фокусируется энергия радиоволн по определенному направлению. На рис. 6 показано, как может происходить коммуникация между сетями при использовании различных решений беспроводного доступа.

Рис. 6. Сценарий беспроводного доступа к 5G-сети

В настоящее время на бизнес-модели влияет доступность Интернета и наличие сетевых возможностей. Организации или компании во всех областях предпринимательской деятельности развертывают все более сложное сетевое оборудование и начинают использовать технологии для улучшения связи. Связь является ключевым фактором для удовлетворения требований клиентов, и это большой потенциальный рынок для таких технологий, как 5G. На рис. 7 приведен пример сценария 5G-технологии по доступу к сети, начиная от пользовательских устройств и заканчивая передачей данных в центр обработки больших данных.

Рис. 7. Варианты реализации 5G-технологии по доступу к сети

Беспроводной мониторинг для крупных дата-центров

Стабильность системы ЦОД и максимальная производительность центра являются обязательным условием для того, чтобы предоставить лучший сервис клиенту или компании. Дата-центр зачастую выносится за пределы офиса. Иногда такие центры располагаются даже в других странах или на других континентах. По этой причине система мониторинга, контролирующая работу дата-центра, должна высылать оповещения, если что-либо случается с ЦОД. В постоянном мониторинге в пространстве информационного центра нуждаются такие параметры, как состояние окружающей среды, температура в помещении, мощность линий электропередачи, детекция задымленности и проч. Рис. 8 иллюстрирует, как организован контроль (наблюдение) в помещении ЦОД, включая мониторинг управления активами для предотвращения краж.

Рис. 8. Мониторинг в помещении дата-центра

Измерение эффективности установило, что обычно затраты на охлаждение дата-центра в среднем уменьшаются на 48%, а также происходит сокращение объемов энергии, потребляемой всем дата-центром, на 17% при удаленном осуществлении мониторинга ЦОД [20]. Системы беспроводной сенсорной сети также снимают ряд ключевых логистических (материально-технических) вопросов, возникавших, например, при монтаже проводки для подключения каждого датчика в помещении ЦОД. Использование беспроводной сенсорной сети позволяет легко расширять сети, а также облегчает возможный будущий переезд, так как эта система обеспечивает гибкость при любом применении рядом с помещениями ЦОД (и вне этих помещений). Другим преимуществом является то, что с помощью беспроводного мониторинга удобно осуществлять контроль практически из любого места и в любое время, без необходимости специального подключения или личного визита на станцию управления (контрольную станцию).

Помимо контроля состояния окружающей среды в помещениях и других параметров, относящихся к серверам, коммутаторам, маршрутизаторам и блокам резервного питания, беспроводной мониторинг востребован для проверок программного обеспечения. Например, регулярной проверки обычно требуют такие параметры, как:

емкость базы данных;
производительность системы;
состояние трафика;
состояние сети по отношению к другим дата-центрам;
производительность сети;
скорость передачи данных к пользователю;
аварийная индикация при мониторинге оборудования;
статус пользователя.
Хорошая система мониторинга обязана выдавать предупреждения, если что-то случается, чтобы решить проблему в кратчайшие сроки (с затратой минимума времени).

Системы хранения данных обычно устанавливаются в нескольких различных (физических) местах для обслуживания пользователей в соответствии со страной или регионом, а также для резервирования данных на тот случай если в одном из центров произойдет инцидент. Наблюдение и взаимосвязь с центрами хранения данных осуществляются по беспроводной сети из единой точки управления ЦОД. Таким образом, беспроводная система мониторинга является частью структуры центра больших данных.

Стандартизацию сетей мобильной связи 2, 3, 4 и 5 поколений выполняет партнерский проект для стандартизации систем 3-го поколения (3rd Generation Partnership Project, 3GPP.

Первоначальный план по подготовке спецификаций 5G был следующий: 1-я фаза спецификаций должна быть завершена до второй половины 2018 г. (в рамках Rel’15 3GPP); 2-я фаза спецификаций – до декабря 2019 г. (в рамках Rel’16 3GPP). Но, в связи с интересом ряда операторов по ускорению коммерциализации систем 5G, в 3GPP было принято решение по сокращению сроков стандартизации. Дорожная карта развития сетей 5G приведена на рис.

Так, к концу 2017 были финализированы работы по созданию спецификаций для протоколов первого и второго уровней радиоинтерфейса 5G для высокоскоростных приложений (рабочее название радиоинтерфейса New Radio, NR).

В связи с сокращением сроков стандартизации консорциум 3GPP вынужден уменьшать количество рассматриваемых и специфицируемых опций.

Release 14 3GPP - Фаза исследований – услуги, требования, новый радиоинтерфейс, новая архитектура.

Release 15 3GPP - Фаза 1 – спецификации для срочной реализации и коммерциализации первых сценариев использования

Release 16 3GPP - Фаза 2

Release 15 3GPP (5G фаза 1) включает в себя следующие функциональные возможности:

Улучшенный мобильный широкополосный доступ (eMBB)
Ультранадежная связь со сверхнизкой задержкой (URLLC)
Диапазоны < 52.6 ГГц
Ортогональный радиоинтерфейс на базе OFDM
Неавтономная архитектура 5G (NSA) с подключением к ядру EPC системы LTE
Автономная архитектура с новым ядром 5G
Взаимодействие с системой LTE
Разделение уровней управления и пользовательского трафика (CP/UP Split)
Сегментирование сети (Network Slicing)
Процедуры QoS
Управление сессиями и мобильностью
Управление политиками обслуживания, функции тарификации, безопасности
Поддержка IMS, SMS
Взаимодействие с сетями не-3GPP без доверительного доступа (untrusted Non-3GPP)

Release 16 3GPP (5G фаза 2) включает в себя следующие функциональные возможности:

Подавление помех
5G SON & Big Data
Улучшения 5G MIMO
Улучшение определения местоположения в 5G
Улучшение потребления энергии в 5G
Улучшения Dual Connectivity
Device capabilities exchange
Динамичный и гибкий TDD
Неортогональный множественный доступ (Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)
5G Vehicle to X (V2X)
5G промышленный интернет вещей (IIoT)
Интеграция каналов доступа и транспорта (Integrated Access and Backhaul)
Функционирование 5G в нелицензионном частотном спектре
Спутниковый домен для сетей 5G
5G выше 52,6 ГГц

Таким образом, Release 16 3GPP позволит повысить эффективность сетей 5G и расширить применение технологий пятого поколения.

Подробнее о технических, экономических и маркетинговых аспектах работы сетей мобильной связи читайте в книге "Мобильная связь на пути к 6G".

В этом примере показано, как к модели 5G NR транспортируют каналы с несколькими гибридный автоматический повторный запрос (HARQ) процессы с помощью нисходящего канала совместно использованный канал (DL-SCH) энкодер и декодер Системные объекты 5G Toolbox™.

Введение

Этот рисунок показывает элементы link, которые моделируются в этом примере в контексте ссылки нисходящего канала 5G. Эти элементы:

DL-SCH кодирование и декодирование

Физический нисходящий канал совместно использованный канал (PDSCH) кодирование и декодирование

Другие элементы link не моделируются в этом примере.

Примеры также измеряют частоту появления ошибочных блоков (BLER) с помощью канала AWGN. Этот рисунок показывает все элементы link, смоделированные в этом примере, последовавшем вычислением BLER.

Этот рисунок показывает, что энкодер DL-SCH использует внутренние буферы, чтобы сохранить транспортные блоки для каждого процесса HARQ и затем выбирает активное содержимое буфера процесса HARQ для кодирования. Декодер DL-SCH использует подобный механизм буферизации, чтобы сохранить и выбрать процессы HARQ.

Энкодер DL-SCH и декодер не справляются с процессами HARQ внутренне. Пример использует объект сущности HARQ, HARQEntity.m , для управления процессами HARQ. Этот рисунок показывает структуру объекта сущности HARQ

Параметры симуляции

Задайте количество транспортных блоков, чтобы симулировать и сигнал к шумовому отношению (ОСШ).

Сбросьте генератор случайных чисел для воспроизводимости.

Настройка DL-SCH

Задайте скорость кода, количество процессов HARQ и значения сокращения (RVs) последовательность. Это управление последовательностью повторные передачи версии сокращения в случае ошибки.

Создайте объекты энкодера и декодера DL-SCH. Чтобы использовать несколько процессов, установите MultipleHARQProcesses свойство к true для обоих объектов. Чтобы включить повторные передачи для нескольких процессов HARQ, энкодер буферизует входные биты. Декодеру нужен подобный механизм, чтобы включить мягкое объединение повторных передач для каждого процесса HARQ.

Объекты энкодера и декодера DL-SCH могут смоделировать до 16 процессов HARQ. Объекты энкодера и декодера используют HARQprocessID свойство сущности HARQ возражает, чтобы идентифицировать активный процесс HARQ при выполнении любой из этих операций.

Установка нового транспортного блока передать

Сброс мягких буферов

Несущая и настройка PDSCH

Задайте несущую и параметры PDSCH. Эти параметры используются для PDSCH кодирование и декодирование и для вычисления транспортного размера блока.

Создайте объект несущей, задав расстояние между поднесущими (SCS) и полоса пропускания (BW).

Создайте объект настройки PDSCH. Параметры PDSCH определяют доступную емкость в битах и транспортный размер блока.

Управление HARQ

Идентификационный номер HARQ.

Номер передачи, который указывает, сколько раз был передан определенный транспортный блок.

Отметьте, чтобы указать, требуются ли новые данные. Новые данные требуются, когда транспортный блок получен успешно или если тайм-аут последовательности произошел (все передачи RV перестали работать).

Отметьте, чтобы указать, произошел ли тайм-аут последовательности (все передачи RV перестали работать).

Сущность HARQ используется, чтобы управлять буферами в энкодере DL-SCH и декодере.

Симуляция BER

Цикл по многим транспортным блокам. Для каждого транспортного блока:

Вычислите транспортный размер блока в количестве битов.

Сгенерируйте новый блок данных или сбросьте буферы в декодере.

Примените кодирование DL-SCH.

Модулируйте биты к символам.

Демодулируйте мягкие биты (символы к мягким битам).

Обновите процессы HARQ.

Транспортное вычисление размера блока

Вычислите транспортный размер блока.

Поскольку способность PDSCH в битах, pdsch.G , динамически определяется, фактическая скорость кода не может быть точно равна целевой скорости кода, заданной TargetCodeRate свойство encodeDLSCH объект.

HARQ, обрабатывающий (организацию буферизации данных)

Этот раздел объясняет организацию буферизации данных в энкодере и декодере.

Буферы энкодера DL-SCH: Сгенерируйте новый транспортный блок, если новые данные требуются для активного процесса HARQ. Сохраните транспортный блок в соответствующем буфере. Если нет новых данных требуется, буферизированные биты в энкодере DL-SCH используются для повторной передачи.

Буферы декодера DL-SCH: мягкие буферы в приемнике хранят ранее полученные версии того же транспортного блока. Эти буферы очищены автоматически на успешный прием (никакая ошибка CRC). Однако, если концы последовательности RV без успешного декодирования, буферы должны быть сброшены вручную путем вызова resetSoftBuffer объектная функция.

Кодирование DL-SCH

Закодируйте транспортные блоки DL-SCH.

Кодирование PDSCH

Сгенерируйте символы PDSCH.

Канал AWGN

Добавьте белый Гауссов шум.

Демодуляция PDSCH

Мягкий демодулируют полученные символы.

Декодирование DL-SCH

Примените декодирование DL-SCH.

Результаты

Сохраните результаты вычислить BLER.

Обновление процесса HARQ

Обновите текущий процесс HARQ с ошибкой CRC, и затем перейдите к следующему процессу. Этот шаг обновляет информацию, связанную с активным процессом HARQ в сущности HARQ.

Отобразите информацию о текущей попытке декодирования.

Результаты BLER

Вычислите BLER и пропускную способность (процент успешно полученных транспортных блоков). Чтобы обеспечить статистически значимые результаты, запустите эту симуляцию для многих транспортных блоков.

Открытый пример

У вас есть модифицированная версия этого примера. Вы хотите открыть этот пример со своими редактированиями?

Документация 5G Toolbox

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте
Войти

1. Если смысл перевода понятен, то лучше оставьте как есть и не придирайтесь к словам, синонимам и тому подобному. О вкусах не спорим.

2. Не дополняйте перевод комментариями “от себя”. В исправлении не должно появляться дополнительных смыслов и комментариев, отсутствующих в оригинале. Такие правки не получится интегрировать в алгоритме автоматического перевода.

3. Сохраняйте структуру оригинального текста - например, не разбивайте одно предложение на два.

4. Не имеет смысла однотипное исправление перевода какого-то термина во всех предложениях. Исправляйте только в одном месте. Когда Вашу правку одобрят, это исправление будет алгоритмически распространено и на другие части документации.

Основной целью предыдущих поколений мобильных сетей было просто предлагать своим пользователям быстрые и надежные услуги передачи мобильных данных. В случае с 5G ситуация меняется, так как комплекс беспроводных услуг предлагается конечному пользователю на базе разнообразных платформ доступа и многоуровневых сетей.

По сути, 5G представляет собой динамический, согласующийся и гибкий набор разнообразных современных технологий, поддерживающих множество приложений. Более интеллектуальная архитектура 5G снимает с сетей радиодоступа (RAN) ограничения по близости расположения базовых станций и позволяет отказаться от сложной архитектуры. 5G — это шаг в сторону распределенной, гибкой и виртуальной RAN, где новые интерфейсы создают дополнительные точки доступа к данным.

Архитектура 5G 3GPP

Телекоммуникационными технологиями, включая RAN, базовые транспортные сети и возможности служб, занимается организация 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Ею подготовлены полные системные спецификации для архитектуры сети 5G, которая в значительно большей степени ориентирована на оказание услуг, чем предыдущие поколения.

Так, услуги предоставляются на базе общего механизма тем сетевым функциям, которым разрешено ими пользоваться. Дополнительными качествами сетевой архитектуры 5G, которые описаны в спецификациях 3GPP, являются модульность, повторное использование и автономность сетевых функций.

Спектр и частоты 5G
Для сети радиодоступа нового поколения (5G NR) выделяются различные диапазоны частот. Часть спектра с частотами от 30 до 300 ГГц известна как миллиметровые волны, так как длины волн в нем варьируются от 1 до 10 мм. Частоты от 24 до 100 ГГц теперь выделяются для 5G в самых разных регионах мира.

В дополнение к миллиметровым волнам под 5G выделяются мало используемые UHF-частоты от 300 МГц до 3 ГГц. Многообразие задействованных частот можно адаптировать к уникальным приложениям, так как более высокие частоты обеспечивают и более высокую пропускную способность, хоть и на более коротких расстояниях. Миллиметровые частоты идеально подходят для густонаселенных зон, но не подходят для дальней связи. После того как низко- и высокочастотные диапазоны были выделены под 5G, каждый оператор начал освоение своей обособленной части спектра 5G.

MEC
Важным элементом архитектуры 5G являются периферийные вычисления мультисервисного доступа (Multi-Access Edge Computing, MEC). МЕС представляет собой эволюцию облачных вычислений, перенося приложения из централизованных ЦОД к периферии сети, а следовательно, к конечным пользователям и их устройствам. Это позволяет быстрее предоставлять контент от устройства пользователю в обход долгого пути, который ранее их разделял.

Технология используется не только в 5G, но, несомненно, повышает эффективность этого стандарта. МЕС отличается низкой задержкой, высокой пропускной способностью и доступом в реальном времени к информации RAN, что отличает архитектуру 5G от предшественников. Эта конвергенция RAN и базовых сетей потребует от операторов новых подходов к проверке и тестированию сети.

Сети 5G, основанные на спецификациях 3GPP для 5G, являются идеальной средой развертывания МЕС. Спецификации 5G определяют движущие факторы периферийных вычислений, позволяя МЕС и 5G маршрутизировать трафик совместно. В дополнение к преимуществам МЕС, связанным с задержкой и полосой пропускания, распределение вычислительной мощности поможет эффективнее работать с большим количеством подключенных устройств, что необходимо для развертывания 5G и активного внедрения Интернета вещей (IoT).

NFV и 5G
Виртуализация сетевых функций (NFV) помогает отделить программное обеспечение от оборудования, заменяя различные сетевые функции, такие как брандмауэры, балансировщики нагрузки и маршрутизаторы, виртуализированными экземплярами, которые выполняются как ПО. Это устраняет необходимость вложений в различное дорогостоящее оборудование, а также может сократить время установки и монтажа. Таким образом, клиент быстрее получает услуги, генерирующие доход.

NFV поддерживает инфраструктуру 5G за счет виртуализации устройств в рамках сети 5G. Одним из элементов поддержки является технология сегментации сети, которая позволяет нескольким виртуальным сетям функционировать одновременно. NFV позволяет решать и другие задачи 5G с помощью виртуализированных ресурсов вычисления, хранения и сети, адаптированных к приложениям и сегментам клиентов.

Архитектура 5G RAN
Концепция NFV распространяется на RAN на базе, например разукрупнения сети, чему способствуют такие альянсы, как O-RAN. Это обеспечивает гибкость и создает новые возможности для конкуренции, предоставляет открытые интерфейсы и разработку ПО с открытым исходным кодом, что, в конечном счете, упрощает масштабное развертывание новых возможностей и технологий. Цель альянса O-RAN — обеспечить внедрение силами различных поставщиков на базе стандартного оборудования, чтобы обеспечить более удобное и быстрое совместное взаимодействие. Разукрупнение сети также позволяет виртуализировать ее компоненты, что помогает в масштабировании и повышении удобства пользователей с ростом емкости. Преимущества виртуализации компонентов RAN показывают наибольшую рентабельность с точки зрения компонентов оборудования и ПО особенно для IoT-приложений, где количество устройств исчисляется миллионами.

eCPRI
Разукрупнение сети с функциональным делением дает и другие преимущества, связанные с рентабельностью, особенно при появлении новых интерфейсов, таких как eCPRI. Радиочастотные интерфейсы слишком дорогие для тестирования большого количества 5G-несущих, так как их стоимость стремительно растет. Внедрение интерфейсов eCPRI является более экономичным решением, так как для тестирования множества 5G-несущих можно использовать меньше интерфейсов. Цель eCPRI в том, чтобы быть стандартизированным интерфейсом 5G, используемым, например, в магистральном интерфейсе O-RAN, таком как DU. CPRI, в отличие от eCPRI, разрабатывался для 4G, но во многих случаях был специфичен для конкретных поставщиков, поэтому усложнял работу операторов.

Сегментирование сети
Возможно, ключевым ингредиентом, который раскрывает весь потенциал архитектуры 5G, является сегментирование сети. Эта технология добавляет новое измерение в NFV, позволяя одновременно функционировать нескольким логическим сетям поверх общей инфраструктуры физической сети. Эта возможность становится неотъемлемой частью архитектуры 5G, так как создаются комплексные виртуальные сети, включающие и функции сети, и функции хранилища.

Таким образом, операторы могут эффективно управлять разными сценариями использования 5G, удовлетворяя различные требования к пропускной способности, задержке и доступности, сегментируя сетевые ресурсы, выделяя их различным пользователям или «арендаторам».

Сегментация сети особенно полезна в таких сценариях, как IoT, где устройств может быть невероятно много, но общая потребность в пропускной способности невелика. В каждой вертикали 5G будут свои требования, поэтому сегментация сети становится важным конструктивным решением в архитектуре 5G. Благодаря наличию такого уровня индивидуализации можно оптимизировать расходы, управление ресурсами и гибкость сетевых конфигураций. Кроме того, сегментирование сети позволяет быстрее тестировать потенциальные новые услуги 5G и быстрее выводить их на рынок.

Формирование лучей
Еще одна революционная технология, незаменимая для успеха 5G, — это формирование лучей. Обычные базовые станции передавали сигналы в различных направлениях без учета расположения пользователей и устройств, которым предназначались сигналы. За счет использования MIMO-массивов, состоящих из десятков небольших объединенных антенн, можно использовать алгоритмы обработки сигнала, определяющие наиболее эффективный путь передачи каждому пользователю, а отдельные пакеты можно посылать в разных направлениях и затем организовывать их так, чтобы они доходили до конечного пользователя в заранее определенной последовательности.

Поскольку передача данных в 5G происходит в миллиметровом диапазоне, то выше и потери при распространении в открытом пространстве, пропорциональные малым размерам антенны, и дифракционные потери, присущие более высоким частотам и вызванные недостаточными возможностями проникновения через стены. С другой стороны, меньший размер антенн позволяет размещать более крупные массивы на той же физической площади. А поскольку каждая из небольших антенн потенциально способна перенаправлять луч несколько раз в миллисекунду, то возможным становится масштабное формирование луча, решающее проблемы пропускной способности 5G. При большей плотности антенн на той же физической площади можно направлять более узкие лучи за счет MIMO, повышая пропускную способность с более эффективным отслеживанием пользователей.

Архитектура ядра 5G

В основе новой спецификации 5G лежит архитектура ядра сети 5G, которая обеспечивает поддержку пропускной способности, требуемой от 5G. Новое ядро 5G, как определено 3GPP, использует облачную, сервисно-ориентированную архитектуру (SBA), которая охватывает все функции и взаимодействия 5G, включая проверку подлинности, безопасность, управление сеансами и агрегацию трафика с конечных устройств. Ядро 5G далее подчеркивает NFV как неотъемлемое конструктивное решение с виртуализированными программными функциями, которые могут развертываться с использованием инфраструктуры МЕС, незаменимой для принципов архитектуры 5G.

Отличия от архитектуры 4G
Изменения на уровне ядра являются частью целого ряда архитектурных изменений, сопровождающих переход от 4G к 5G, включая миграцию на миллиметровый диапазон, функцию massive MIMO, сегментирование сети и, в целом, каждый отдельный элемент многообразной экосистемы 5G. Ядро 4G Evolved Packet Core (EPC) отличается от ядра 5G, так как в 5G на беспрецедентных уровнях используются виртуализация и облачное ПО.

Среди других изменений, отличающих ядро 5G от его предшественника 4G, функция передачи данных пользователей (UPF) для разделения протоколов «плоскости пользования» и «плоскости управления», а также функция управления доступом и мобильностью (AMF), отделяющая функции управления сеансами от задач по установлению соединения и управления мобильностью.

Варианты архитектуры 5G
Преодоление разрыва между 4G и 5G должно вестись пошагово и продуманно, в соответствии с планом. Этот переход отразится, прежде всего, при смене с объединенной (4G+5G) на выделенную архитектуру 5G. Стандарт объединенного (non-stadalone) 5G был готов в конце 2017 года, и он подразумевал использование существующих RAN LTE и базовых сетей в основе с дополнением 5G-несущих. Несмотря на использование существующей архитектуры, объединенный режим увеличит пропускную способность за счет задействования миллиметровых частот.

Выделенный (standalone) режим 5G в целом представляет собой развертывание 5G «с нуля», с новой архитектурой ядра и полным развертыванием всего оборудования, ПО, возможностей и функциональности 5G. При переходе от объединенного режима к новым, «чистым», архитектурным решениям 5G требуется грамотное планирование и внедрение, которое сделает этот переход незаметным для пользователей.

Внедрение географической архитектуры 5G

Инфраструктура, незаменимая для развертывания «выделенного» 5G, потребует принятия мер интеграции 5G в самых разных географических регионах. Регионы, ведущие с точки зрения технологий, например Северная Америка, Азия и Европа, уже начинают ограниченное развертывание, но и другие страны не отстают. Ожидается, что к концу 2019 года в эксплуатацию будет запущено 55 сетей. Близкое расположение соседних стран и большое количество операторов значительно усложнит развертывание в Европе. Для решения этой задачи Еврокомиссия создала план действий «5G для Европы», цель которого — переход к активным действиям и создание программы развертывания сетей во всех государствах ЕС к концу 2020 года.

Промышленные государства, такие как Китай, Япония и Индия, уделяют особенное внимание практическим и финансовым аспектам перехода к 5G. Новые антенны, инфраструктура, оборудование и ПО — «золотая жила» для профильных отраслей во всем мире, поэтому на оперативности развертывания делается особенный упор. Один из крупнейших операторов связи в Индии уже обеспечил совместимость с 5G по всей своей сети; также ожидается, что China Mobile введет в строй 10 000 базовых станций 5G к 2020 году.

Безопасность в архитектуре 5G

Благодаря активному использованию облачных ресурсов, виртуализации, сегментации сети и других новых технологий внедрение 5G обеспечит огромные преимущества с точки зрения производительности и многообразия приложений. С такими изменениями появляются новые угрозы в сфере безопасности, а в архитектуре системы безопасности 5G — новые уязвимые места.

Стандарт 5G построен на методиках обеспечения безопасности мобильных технологий прошлого, однако «модель доверия» существенно расширилась, так как в оказание услуг вовлечено больше действующих лиц. IoT и рост количества пользователей — это рост количества конечных точек по экспоненте, при этом за трафиком многих из них нет контроля человека.

Среди улучшенных функций безопасности 5G, обозначенных в стандартах 3GPP, следует отметить унифицированную проверку подлинности для отделения проверки подлинности от точек доступа, расширяемые протоколы проверки подлинности для поддержки безопасных транзакций, гибкие политики безопасности, учитывающие большее количество сценариев, и постоянные идентификаторы подписки абонента (SUPI), обеспечивающие конфиденциальность сети.

Поскольку развертывание 5G идет полным ходом, а ключевые узлы, обеспечивающие производительность, все чаще становятся виртуальными, операторам потребуется постоянно наблюдать за системами безопасности и оценивать их. Следование передовым методикам означает комплексный подход к безопасности сети, наблюдение по всей архитектуре, устройствам и приложениям.

Несомненно, 5G обеспечит экспоненциальный рост скорости, к которому привыкли пользователи при каждом переходе к новому поколению мобильных сетей, но скоростью дело не ограничивается. Ожидаемые изменения в отраслях, от личного транспорта до производства и сельского хозяйства, будут настолько значительными, что многие уже называют 5G следующей промышленной революцией. В основе этой смены парадигмы — многосоставная архитектура 5G с МЕС, NFV, massive MIMO и облачной, ориентированной на сервис, архитектурой ядра, которые работают согласованно, предоставляя новое поколение услуг. Важнейшими факторами, которые помогут перейти к 5G и претворить изменения в жизнь, станут решения для тестирования 5G.

Узнайте больше о VIAVI 5G!

Вы готовы продолжить ознакомление с нашими продуктами или решениями для тестирования 5G?
Чтобы начать, заполните одну из следующих форм:

После того, как был принят первый стандарт 5G New Radio (5G NR), фокус внимания инженеров-разработчиков новых продуктов в области беспроводной связи прогнозируемо сместился от этапа исследования к интенсивной разработке новых продуктов, которые смогут обеспечить более высокие скорости передачи данных, более короткое время задержки, а также большую энергоэффективность по сравнению с используемыми ныне технологиями 4G. На этом пути они неизбежно столкнутся с рядом технических проблем при проектировании архитектуры физического уровня, которая должна справляться с более сложной многопользовательской средой и использованием каналов на более высоких частотах.

Понимание того, как требования, а также новые технологии, относящиеся к стандарту 5G, отличаются от прошлого, четвертого поколения мобильной связи (LTE), может помочь инженерам-разработчикам подготовиться к работе с новыми архитектурами.

Новый дизайн архитектуры и алгоритмов для 5G NR

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. Поведенческое (функциональное) моделирование радиочастотных и цифровых элементов систем Massive MIMO может значительно ускорить разработку и оптимизацию адаптивной диаграммы направленности.

Рисунок 1. Новый дизайн архитектур и алгоритмов окажет существенное влияние на все составные части 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.

Поведенческое (функциональное) моделирование для Massive MIMO

Достижение оптимального дизайна современных беспроводных систем требует использование комбинированных моделей антенных решеток и алгоритмов формирования адаптивной диаграммы направленности для моделирования их взаимодействия, а также определения степени воздействия на производительность всей системы в целом. Это может оказаться непосильной задачей для ныне используемого инструментария для проектирования 3G- и 4G-решений, в которых, обычно, функциональные возможности для дизайна антенны отделены от разработки архитектуры системы и алгоритмов формирования диаграммы направленности. Также, в большинстве случаев, время симуляции MIMO длится в десятки раз дольше, чем симуляция 3G и 4G.

Моделирование антенной решетки на поведенческом уровне позволит решить эти проблемы и будет тем эффективней, чем больше 5G-симуляций будет проведено. Моделирование на уровне поведения существенно уменьшает время симуляции. Это позволяет инженерам экспериментировать с различными архитектурами антенных решеток и алгоритмами, имитировать производительность этих антенных решеток и связанных с ними алгоритмов, а также итерационно корректировать параметры для уменьшения негативного эффекта от пересечения сигнала антенн и добиваться лучшего управления диаграммой направленности.

Формирование диаграммы направленности гибридных антенн

По мере того, как меньшие длины волн позволят осуществлять реализации Massive MIMO в рамках небольших форм-факторов, инженеры столкнуться с новыми проблемами, связанными с определением траектории сигнала и его передачей в целом, так как загруженность частот mmWave будет расти по мере того, как будет появляться все больше беспроводных систем и решений с поддержкой 5G New Radio. В идеале, чтобы добиться лучшего управления диаграммой направленности и обеспечить большую гибкость для будущих систем, необходимо иметь независимый контроль нагрузок для каждого элемента антенной решетки, реализуемого с помощью модуля передачи/приема (transmit/receive, T/R), выделенного для каждого такого элемента. Однако, как правило, такой подход является нецелесообразным из-за ограничений по стоимости, размеру и потребляемой мощности.

Формирование диаграммы направленности гибридной антенны — это способ, который разделяет вашу задачу обеспечения лучшего управления диаграммой направленности на цифровые и радиочастотные составляющие, позволяя снизить стоимость конечного продукта, напрямую связанной с количеством используемых радиочастотных цепей. Диаграммы направленности гибридных антенн позволяют объединить часть элементов антенной решетки в подрешетки, определив для каждой такой подрешетки по одному модулю передачи/приема.

Для инженеров, которые хотят использовать эту стратегию в своих проектах 5G, ключевой проблемой, с которой они столкнуться, станет нахождение оптимального баланса между обеспечением требуемых параметров производительности и соблюдением ограничений по затратам на реализацию конечного продукта. Программные платформы, такие как Simulink (более детальную информацию о программной платформе вы можете найти здесь), позволят совмещать унифицированное мульти-доменное моделирование и проведение симуляций радиочастотных и цифровых доменов. Возможность пакетной симуляции схем радиочастотных элементов обеспечивает значительное ускорение моделирования гибридной системы.

На рисунке 2 продемонстрирован сегмент мульти-доменной модели, содержащей цифровые значения диаграммы направленности, которые используются для формирования сигналов радиочастотных подрешеток, где применяются фазовые сдвиги. Полученные гибридные значения создают нужные паттерны для антенной решетки и помогают подготовить системы для проведения моделирования.

Рисунок 2. Сегмент мульти-доменной модели, содержащей цифровые значения диаграммы направленности, которые используются для формирования сигналов радиочастотных подрешеток, где применяются фазовые сдвиги.

Моделирование и линеаризация усилителей мощности для систем 5G New Radio

Строгие требования к линейности усилителей мощности (power amplifiers, PA) как были важны для прошлых стандартов, так и продолжат оставаться критически важной характеристикой каждого будущего передатчика 5G. Отсутствие должного внимания к характеристикам усилителей мощности при разработке новых продуктов для работы в высоколинейных регионах приведет к тому, что решения окажутся попросту неконкурентоспособными, особенно когда речь идет о более высоких частотах и широкополосных каналах связи, которые прямо ассоциируются с 5G. По этой причине для повышения эффективности передатчика и одновременного ограничения искажения сигнала и нивелирования межканальных помех обычно применяются методы цифрового предискажения (digital predistortion, DPD).

Разработка высококачественного алгоритма DPD является сложной задачей, поскольку она требует глубокого понимания эффектов, создаваемых усилителем мощности и смежными подсистемами, такими как антенна. Поскольку усилители мощности сами формируют нелинейные искажения, зависящие от эффекта памяти, то характеристика усилителей мощности сильно зависит от типа сигнала, с которым он работает.

Из-за этих сложностей алгоритмы DPD зачастую разрабатываются в лабораториях, используя платформы быстрого прототипирования, которые позволяют проводить тестирование алгоритмов на основе реально существующего усилителя мощности. Хотя этот подход и полезен для проверки и тонкой настройки алгоритмов, его гораздо сложнее применять, когда реально существующий усилитель мощности еще недоступен, либо когда основная цель моделирования — изучение области проектирования алгоритма цифрового предискажения.

Адаптация к новым радиочастотным алгоритмам 5G

Стандарт беспроводной связи 5G обеспечит значительно более высокую пропускную способность мобильной широкополосной связи благодаря режиму улучшенного мобильного широкополосного доступа (enhanced Mobile Broadband, eMBB). Ключевыми элементами нового стандарта 5G являются:

Более короткая длительность слотов, соответствующая увеличению количества поднесущих, которая позволяет увеличить пропускную способность канала и уменьшить время задержки.
Новые продвинутые схемы кодирования, такие как LDPC (Low-density parity-check code, код с малой плотностью проверок на четность) для передачи данных и полярные коды для контролирования передаваемой информации, которые используются для исправления ошибок и повышения скорости передачи данных.
Усовершенствованная форма передачи сигнала благодаря улучшенным характеристикам внеполосного излучения (out-of-band emissions, OOBE), которая позволяет более эффективно использовать ресурсы полосы пропускания.
Модели пространственных каналов для работы на нынешних (<6 ГГц) и более высоких mmWave (> 28 ГГц) частотах.

Специализированные инструменты для проектирования позволяют значительно упростить изучение различных алгоритмов и поиск компромиссов при проектировании архитектуры еще на ранних стадиях разработки. Благодаря моделированию различных компонентов системы 5G в одной и той же среде с реалистичными каналами распространения, инженеры имеют возможность проверить производительность системы полного цикла еще до того, как она будет отправлена в тестовую лабораторию. В результате, внедрение и интеграция новых инновационных беспроводных систем 5G, возможно, окажется не такой уж и сложной задачей (более детальную информацию о том, как использовать MATLAB и Simulink для создания продуктов 5G, вы можете найти здесь).

Подписывайтесь на рассылку, делитесь статьями в соцсетях и задавайте вопросы в комментариях!

Читайте также: