СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ 5G: ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ ПАРАДИГМА, КОТОРАЯ ИЗМЕНИТ МИР КРАТКИЕ ТЕЗИСЫ - ЭЛЕКТРОНИКА НТБ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru
Системы беспроводной связи 5G:
телекоммуникационная
парадигма, которая изменит мир
Краткие тезисы
И.Шахнович
Если вы хотите иметь то, что никогда не имели, –
начните делать то, что никогда не делали.
Р.Бах
Термин "Сети мобильной связи пятого поколения" (5G) уже прочно
вошел в лексикон специалистов по беспроводным коммуникациям.
Что же скрывается за этим термином? Какие перспективы открывает
новое поколение систем связи перед электроникой – общемировой
и российской?
В
первые о сетях 5G в привязке к конкретным Переход к поколению 3G ознаменовал возможность
технологиям специалисты начали говорить передачи данных на скоростях, позволяющих смотреть
на рубеже 2012–13 годов, хотя первые публика- видео, – это был качественно новый шаг. Технологически
ции о технологиях, которые сегодня относят этот переход основывается на прорыве в создании мало-
к 5G, появились на несколько лет раньше [1–4]. потребляющих микроэлектронных средств обработки
Сегодня это направление обрело вполне зримые черты. сигналов, как цифровых, так и аналоговых (например,
Достаточно четко обрисовались задачи, решить кото- высокочастотных малошумящих усилителей, прибо-
рые призваны системы связи пятого поколения, и тех- ров на основе GaAs и других перспективных полупро-
нологии, которые можно применять для создания сетей водниковых материалов, таких как GaN, InP). Вспомним:
5G. Конечно, пока никаких стандартов 5G нет – идет именно тогда, в середине 2000-х, началось бурное раз-
только обсуждение возможных подходов. Тем не менее, витие цифровых микроэлектронных технологий глу-
уже можно говорить о целях, средствах их достижения бокого субмикронного уровня (65–45 нм и ниже), обе-
и движущих силах новой смены парадигмы систем бес- спечивших радикальное снижение энергопотребления
проводной связи, а именно это и означает появление и увеличение функциональности в заданном объеме.
нового поколения системы связи. Очень кратко оста- Именно создание портативных устройств, в том числе
новимся на них. телекоммуникационных, и было основной целью пре-
Но прежде чем рассуждать о 5G, давайте рассмо- словутой "гонки за нанометрами".
трим, что же такое "поколение" систем беспроводной Четвертое поколение систем беспроводной связи –
связи, чем одно из них отличается от другого, почему это полноценный "офис в кармане". Именно на это
происходит их смена. были направлены требования, изначально сформу-
лированные в рекомендации ITU-R M.1645 [5] коми-
Что такое поколение тета IMT-Advanced Международного союза электро-
систем беспроводной связи связи (ITU). Они диктовали необходимость обеспечить
В технике связи одно поколение систем от другого скорость в нисходящем канале (от базовой станции
должно отличаться качественно, причем на всех уровнях: до абонента) до 100 Мбит/с для мобильных и 1 Гбит/с
как на техническом, так и на уровне потребления услуг. для номадических * и фиксированных абонентов. Такая
В свое время переход от технологий сотовой связи пер-
вого поколения (аналоговые системы) ко второму (GSM, * Номадический абонент – способный перемещаться. Подразу
CDMA, DAMPS) означал переход к цифровым техноло- мевается, что такой абонент может устанавливать соединение
гиям на техническом уровне и к сервисам передачи дан- в любой месте (в отличие от фиксированного), но поддержание
ных (пусть и очень простым) – на пользовательском. связи во время движения не предусмотрено.
48 ЭЛЕК ТР ОНИК А наука | технология | бизнес №7 (00147) 2015Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru скорость позволяет устанавливать голосовые соеди- конструкций, все остальное нужно строить с нуля, вклю- нения и использовать различные информационные чая опорные сети. сервисы: выход в Интернет, обмен большими масси- Казалось бы, и мобильный WiMAX, и вытеснившая вами данных, просмотра ТВ-трансляций (IPTV) и видео его практически полностью аналогичная технология по запросу (VoD) и т. п. Все те сервисы, которые поль- LTE с такой задачей справятся. И ни о каком пятом поко- зователь имел у себя дома или в офисе, становятся лении не было бы в ближайшие годы и речи, если бы доступными в любом месте, причем за очень разум- не два фактора – взрывной рост мобильного трафика ные деньги. Как сотовая телефония позволила разго- и спектральный ресурс. варивать по телефону почти всегда и почти везде, так О чрезвычайно бурном росте трафика, в том числе и системы 4G призваны обеспечить всех и каждого беспроводного, сказано и написано немало. Он растет надежным высокоскоростным доступом к различным экспоненциально, и это факт. А возможности систем сетям передачи данных. К сетям 4G в полной мере передачи ограничены законом Шеннона. И как бы можно отнести технологию LTE Advanced и WiMAX 2, ни развивалась электроника, какие бы малошумя- но последняя, будучи полностью аналогичной, сошла щие усилители и прецизионные высокоскоростные с дистанции. АЦП ни создавались, какие бы методы цифровой обра- Тут есть один примечательный момент. Вроде бы для ботки ни использовались, все это дает выигрыш в разы. этого же создавались системы 3G. Но при всем стрем- А нужно – на порядки. Растет потребность в трафике лении производителей, 3G-технологии типа HSPA (High для отдельных абонентов, продолжает расти число Speed Packet Access) не смогли конкурировать с техноло- самих абонентов, еще быстрее – объем активных або- гией WiMAX и сменившей ее LTE – предтечами 4G (а если нентских устройств. А что случится, когда пресло- не придираться к отдельным "мелочам", их можно отно- вутый Интернет вещей станет обыденностью, даже сить к 4G). И это понятно: технологии 4G не просто обе- страшно представить. Частотный ресурс уже стал золо- спечивают принципиальную возможность передавать тым, и это полбеды, но в сантиметровом диапазоне, данные, как в 3G, – либо медленно, либо дорого, они где действуют современные сети абонентского бес- позволяют забыть о привязке к конкретному инфор- проводного доступа, он близок к исчерпанию. Это мационному каналу. Пользователю становится безраз- с одной стороны. С другой – производители полупро- лично, где он выходит в сеть – дома, в офисе, на про- водниковых приборов подошли к возможности созда- гулке или в автомобиле. И скорости, и стоимость услуг ния сверхмалопотребляющих терминальных устройств во всех этих случаях должны быть если и не одинаковы, (как высоко-, так и низкопроизводительных), осваивая то очень сопоставимы. кремниевые технологии уровня 22–14 нм и ниже. А эле- Отметим, что все эти возможности были не нужны, ментная база миллиметрового диапазона (до 100 ГГц), пока цифровые полупроводниковые технологии не раз- в том числе на основе кремниевых КМОП-технологий, вились настолько, что появились массовые дешевые стала промышленной реальностью. Такое предложение абонентские устройства, обладающие вычислитель- неизбежно рождает спрос. Но об этом – чуть ниже. ной мощностью и средствами отображения на уровне стационарных компьютеров, но при этом относительно Зачем нужны сети 5G? недорогие, компактные и легкие. Смартфоны и план- Итак, какова цель создания сетей пятого поколения? шеты – вот конечное звено экосистемы 4G, без которого Первая и очевидная причина – взрывной, экспонен- все заявленные скорости передачи не особо и нужны, циальный рост трафика в сетях абонентского доступа. ибо на экранчике сотового телефона образца начала – По прогнозам [6], к 2016 году ежегодный объем трафика середины 2000-х годов видео не посмотришь. достигнет 1,1 зеттабайт (1021 байт) и к 2019 году превы- Чтобы перейти к 4G, потребовалось коренное, прин- сит 2 зеттабайта. Объем мобильного трафика с 2014 ципиальное изменение в идеологии построения и архи- по 2019 год вырастет на порядок (с 2,5 до 24,2 петабайт тектуре как сетей радиодоступа, так и опорных сетей. в месяц). И это вполне естественно – с развитием микро- В беспроводных сетях было покончено с "телефон- электронных технологий массовый пользователь полу- ным наследием" сотовой связи: ведь даже системы 3G, чил в свое распоряжение недорогое устройство, обла- по сути, являлись радиоудлинителями, связывающими дающее огромной производительностью и выдающи- абонентов с АТС. Система 4G – это принципиально мися средствами отображения информации. Смартфон, иная структура. Это плоская IP-сеть с пакетной пере- планшет, другие гаджеты – это сложнейшие устрой- дачей данных, с возможностью распределенной архи- ства, о которых еще 10 лет назад даже специалисты тектуры, с каналами прямого обмена между базовыми могли лишь мечтать (правда, часть из них не просто станция ми (БС) и т. п. Сотовый оператор, переходя мечтала, но и воплощала мечты в реальность). И все от 3G к LTE, сохраняет только парк антенно-мачтовых эти устройства – потребители трафика. Чем выше №7 (00147) 2015 ЭЛЕК ТР ОНИК А наука | технология | бизнес 49
Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru производительность и лучше экран, тем больше тра- передаваться в центры обработки. Причем, опять же, фика. Пока мы видим, что закон Мура продолжает подавляющее большинство источников таких данных – действовать, хоть топологическое разрешение полу- беспроводные устройства. проводниковых технологий уже и вплотную прибли- Появление множества источников данных, посто- зилось к рубежу в 10 нм. Это значит, что тенденция соз- янно растущие потребности в скорости в отдельно дания все более мощных мобильных устройств прод- взятом канале передачи, рост числа базовых станций лится и в дальнейшем. Причем речь уже идет не только приводят к взрывному росту потребления электроэ- об увеличении разрешения видеокартинки – хотя неда- нергии сетями беспроводной связи. В системах связи лек тот час (если он уже не пробил), когда на мобильных появляется возникает задача, с которой уже столкну- устройствах все захотят иметь HDTV. Но ведь появится лась область сверхвысокопроизводительных вычисле- и мобильное 3D-видео, и средства передачи тактильных ний (суперкомпьютеров) – энергоэффективность. И это ощущений, и множество других мобильных сервисов. не просто борьба за экологию – это реальная потреб- Другая причина, требующая смены парадигмы сетей ность. Так, крупнейший в мире оператор сотовой связи беспроводного доступа – Интернет вещей, или даже China Mobile в 2012 году израсходовал 14 млрд. кВт∙ч Всеобщий интернет, о котором сегодня столько говорят. электроэнергии в своей сети из 1,1 млн. базовых стан- С точки зрения телекоммуникаций это означает, пре- ций. А к 2014 году в сетях China Mobile добавилось еще жде всего, взрывной рост активных приемопередающих 800 тыс. базовых станций, то есть энергопотребление устройств, причем беспроводных. И все они связаны выросло более чем на 70% [7]. в одну глобальную сеть – Интернет. Уже сам факт появ- Помимо скорости, все более важную роль играет ления триллионов новых источников данных оказывает время задержки передачи информации. Если раньше способен в корне изменить концепцию построения сети это острее всего сказывалось на биржевых опера- (есть прогнозы появления к 2017 году 7 триллионов бес- циях и любителях сетевых игр, то с наступлением эры проводных устройств – в 1000 раз больше, чем жителей Всеобщего Интернета, эры глобального управления Земли). А ведь речь идет не только о низкоскоростных через сеть, Industry 4.0 и т. п. время установления соеди- потоках телеметрии и управления, но и о высокоско- нения, передачи данных и доставки отклика становится ростном трафике, например, видео. Меняется и сама все более критичным. Например, для задач дистанцион структура каналов – становится актуальной концеп- ного управления технологическими процессами. ция связи "машина-машина" (М2М) через сеть. Речь идет Наконец, новые скорости и новые объемы данных о глобальной связности, о взрывном росте не только очевидно требуют самого дорогого, что есть у связи- скорости в канале, но и о числе таких каналов. стов – спектрального ресурса. Он ограничен по опре- Еще одна тенденция, которая сегодня проявляется делению, равно как и теоретический предел бит/с/Гц. все ярче – это концепция облачных вычислений. Ее суть: Однако задача новых технологий связи – решить эту процедуры сложной обработки, хранение больших проблему. массивов данных стремятся перенести "в облако", то Итак, сверхскорость (1–10 Гбит/с), сверхмалые есть в центры обработки данных, распределенные или задержки (менее 1 мс), сверхбольшое число актив- локальные. И это уже больше чем тенденция – это инду- ных физических соединений и их сверхвысокая плот- стриальный тренд, глобальная смена парадигмы про- ность, энергетическая и спектральная сверхэффек- мышленного управления (одно из названий которой – тивность (по крайней мере в 10 раз выше сегодняшних) Industry 4.0). Игры и офисные приложения, системы (см. таблицу) – вот, пожалуй, основные задачи, кото- управления промышленными объектами и базы дан- рые невозможно решить в рамках концепции сетей бес- ных из персональных устройств и локальных серверов проводной связи 4G, таких как LTE Advanced. Сеть 5G уходят "в облака". Более того, эта тенденция коренным должна обеспечивать доступ к данным везде и всегда, образом затронула и телекоммуникационные техноло- всем людям и каждому устройству. Как можно решить гии: концепция программно-определяемых сетей SDN все эти задачи? (Sofware-Defined Networks) – это ни что иное, как пере- нос функций сложной обработки из распределенных Технологии 5G: противостояние сетевых устройств (маршрутизаторов) в некий центр. или взаимодополнение? А ведь сегодня все больше говорят и об облачных тех- По большому счету, методов, потенциально позволя- нологиях управления радиосетями доступа. В целом, ющих решить описанные задачи, не так и много (и это облачные технологии означают, что наступает эра "боль- не удивительно, иначе эти задачи давно бы решили). ших аналоговых данных" – появляется огромное мно- Поэтому в контексте 5G речь идет о нескольких прорыв- жество источников "сырых", необработанных данных, ных технологиях, реализация которых еще несколько которые по телекоммуникационным каналам должны 50 ЭЛЕК ТР ОНИК А наука | технология | бизнес №7 (00147) 2015
Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru
лет назад казалась фантастикой. На физическом уровне управления (вход в сеть, установление соединения,
все сводится к следующим методам: хендовер и т. п.).
• работа в миллиметровом диапазоне длин волн Меняется и принцип организации каналов связи.
(30–300 ГГц); Если системы 2G и 3G допускали только канал "базо-
• использование пространственного разделения кана- вая станция – абонентское устройство", а в системах 4G
лов и пространственной модуляции (что означает появилась возможность (но именно возможность) пря-
формирование узких диаграмм направленности мой связи между БС, то в контексте 5G говорят о непо-
в приемных и передающих устройствах, примене- средственной связи устройство-устройство. Причем –
ние многоканальных антенных систем MIMO); и это принципиально – в рамках глобально-связан-
• применение новых сигнально-кодовых конструк- ной сети. Речь идет о mesh-сетях, причем мобильных,
ций, например, мультиплексирование с "неортого- динамически формирующихся и реконфигурируемых.
нальным" частотным разделением каналов, что вле- Претерпевает радикальное изменение сама концепция
чет усложнение алгоритмов обработки сигналов соты. Это уже не нечто фиксированное – сегодня гово-
в устройствах; рят о виртуальных сотах, о распределенных и гибких
• существенно более плотное расположение БС – то сотах, о динамически изменяющихся и даже мобиль-
есть переход от макросот к микро- и пикосотам; ных сотах и т. п.
• применение действительно полнодуплексного Основным становится принцип гетерогенных сетей.
режима (вместо временного и частотного дуплек- Причем неоднородность возможна по множеству пара-
сирования, как в современных системах), то есть БС метров – и по используемым технологиям, и по частот-
должна в одной частотной полосе принимать и пере- ным диапазонам, и по разделению функций между
давать информацию от множества устройств. Это макро- и микросотовыми БС. Например, обмен дан-
возможно, если использовать перспективные тех- ными идет через микро-БС, а управляющая информа-
нологии подавления интерференции между прием- ция – через макро-БС. Либо нисходящий канал реали-
ными и передающими каналами. зован в миллиметровом диапазоне, в узком луче, фор-
Коренным образом меняются и сами принципы мируемом БС, а восходящий – в сантиметровом.
построения сети, их архитектура. Прежде всего, Изменяются принципы управления сетью. Часть
от сегодняшней сотово-центрической сети (основ- функций децентрализуется, часть переносится в облако.
ной элемент сети – базовая станция, где сосре- Появляется понятие облачной сети радиодоступа
доточены функции управления доступом) необхо- (C-RAN, claud radio access network – некий идейный
димо перейти к концепции "устройство-центриче- аналог технологии SDN).
ской" сети. Сами абонентские устройства становятся При сверхплотном расположении БС (с шагом сетки
настолько интеллектуальными, что уже на них, в сотни метров) принципиально иную, ключевую роль
а не на сеть, возлагается часть функций сетевого начинают играть связывающие их опорные сети. Это
Некоторые ключевые показатели, которых необходимо достичь при создании систем 5G
в рамках различных проектов [8]
Проект METIS (Европа) Future
Ключевые Требования 5G Forum
Сценарий ТС1 Forum
показатели ITU к 4G В целом (Ю.Корея)
(виртуальный офис)* (КНР)
Пиковая скорость, Гбит/с 1 ×10–100 5 (на 20% зоны покрытия) 50 10
Скорость для пользователей
6 ×10–100 1 (на 95% зоны покрытия) 1 0,1
на границах сот, Мбит/с
Время задержки, мс 10 до 2 10 1 1
Скорость перемещения, км/ч 350 350 6 350Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru
могут быть высокоскоростные сети миллиметрового излучения в диапазоне 60 ГГц за счет резонансного
диапазона, радиорелейные системы с возможностями поглощения на молекулах кислорода естественным
mesh-сетей и т. п. Более того, сама граница между образом решает проблему интерференции, что осо-
опорными сетями и сетями радиодоступа начинает бенно важно для организации беспроводной опорной
стираться. сети. Компактные устройства с перестраиваемой диа-
Все это, безусловно, далеко не полный перечень граммой направленности обеспечивают необходимую
концептуальных подходов к организации сетей 5G. для концепции 5G гибкость.
Простое описание каждого из них потребует отдельной Кроме того, системы связи мм-диапазона еще и более
статьи. И любое из этих направлений – это независи- безопасны по сравнению с сегодняшними сотовыми
мая область исследований, которые велись и ведутся телефонами – благодаря высокому затуханию в воде
во всем мире. и большей энергетической эффективности, воздействие
электромагнитного излучения мм-диапазона на жиз-
Основа основ – ненно важные органы человека существенно ниже, чем
миллиметровый диапазон в системах связи см-диапазона (практически все излуче-
Сегодня все специалисты сходятся на том, что сети ние затухает на уровне внешних кожных покровов).
5G будут строиться на работе в двух частотных обла-
стях – "ниже 6 ГГц" (т. е. в см-диапазоне) и "выше 6 ГГц" . Фантастика, ставшая реальностью
Последнее означает миллиметровый диапазон, в интер- Еще несколько лет назад подавляющее большинство
вале от 28 до 95 ГГц. Причем если технологии связи специалистов очень скептически относились к воз-
в диапазонах ниже 6 ГГц – это, по сути, эволюционное можности организации систем связи в мм-диапазоне.
развитие технологий 4G (например, переход от моду- Действительно, это ведь "практически оптика", "только
ляции OFDM к неортогональному FDM), то работа прямая видимость", "огромное затухание свободного
в миллиметровом диапазоне – это принципиальная пространства" и т. д. [10]. Миллиметры – это удел радио
новый подход к организации систем беспроводной релейных систем, фиксированной связи с узконаправ-
связи. Отметим лишь ряд моментов, характеризую- ленными параболическими антеннами, радиолокацион
щих эту новую парадигму построения сетей мобиль- ных систем с жидкостным охлаждением. А главное,
ной связи. сколько будет стоить элементная база, какие массогаба-
Прежде всего, миллиметровый диапазон – это огром- ритные характеристики окажутся у конечных устройств,
ный незанятый частотный ресурс (формально от 30 каково будет их энергопотребление?
до 300 ГГц, реально – до 100 ГГц). Он позволяет работать Все эти проблемы еще недавно выглядели неразре-
с полосами свыше 1 ГГц, что обеспечивает скорость пере- шимыми. Но именно потому мы и говорим о "новом
дачи 1–10 Гбит/с и выше. Однако связь в мм-диапазоне поколении", что оно означает смену технологиче-
требует направленных антенных систем. При этом ской парадигмы, переход к новой идеологии, которая
достигается существенный энергетический выигрыш еще поколение назад казалась ненаучной фантасти-
по сравнению с традиционными системами беспро- кой. И реальностью эту фантастику делает принципи-
водной связи [10]. ально новая элементная база и новая аппаратура на ее
Благодаря малой длине волны физические размеры основе. Этой теме необходимо посвящать отдельную
антенных систем мм-диапазона при высоком усилении публикацию. Отметим лишь, что примерно с середины
очень малы. Поскольку шаг между элементами антен- 2000-х в области элементной базы для мм-диапазона
ной решетки составляет половину длины волны, то есть наметился прорыв, который сегодня можно считать
несколько миллиметров (5 мм – для 30 ГГц, 2,5 мм – для воплощенным в серийной продукции. Появились
60 ГГц), активные решетки можно формировать на под- не только дискретные СВЧ-компоненты, но и моно-
ложках микросхем, в их корпусах и т.п. Это существенно литные интегральные схемы (МИС), работающие в мил-
упрощает и удешевляет элементную базу и разработку лиметровом диапазоне. А затем в миллиметры устре-
систем связи в целом. Благодаря малым физическим мились и кремниевые технологии СБИС, такие как
размерам антенных решеток, их можно встраивать БиКМОП (SiGe) и даже КМОП. Новая элементная база
в абонентские устройства (например, в телефоны). уже активно используется в системах радиорелейной
За счет высокой направленности антенных систем связи Е-диапазона (71–76, 81–86, 92–95 ГГц), в обору-
мм-диапазона достигается высокая пространственная довании локальных беспроводных сетей в диапазоне
селективность – соседние устройства могут работать 60 ГГц (WiGig, IEEE 802.11ad, WirelessHD, IEEE 802.15.3c)
на одной частоте, не мешая друг другу, то есть решается [3]. Причем – и это принципиально – в силу малой
проблема высокоэффективного использования частот- длины волны антенные массивы зачастую формируют
ного ресурса. Высокое затухание электромагнитного непосредственно на подложках интегральных схем.
52 ЭЛЕК ТР ОНИК А наука | технология | бизнес №7 (00147) 2015Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru №7 (00147) 2015 ЭЛЕК ТР ОНИК А наука | технология | бизнес 53
Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru
Появляется новая категория элементной базы, где работа по созданию концепции 5G (IMT for 2020 and
на одном кристалле или в одном корпусе интегри- beyong – концепция мобильных телекоммуникаций
рована вся СВЧ-обработка, аналоговая и цифровая, с 2020 года и далее) – аналог концепций IMT-2000
а также антенная система, позволяющая формировать и IMT-Advanced), в ней должны быть сформулированы
узкую перестраиваемую диаграмму направленности. определения сетей 5G и требования к ним. На конфе-
Сложнейшие проблемы проектирования СВЧ-устройств ренции WRC в 2019 году предполагается рассмотреть
решены на уровне СБИС/МИС и скрыты от разработчика вопрос об использовании спектра.
аппаратуры. В его распоряжении оказываются компо- Тем не менее, поскольку спектр – это едва ли
ненты с высокоскоростным цифровым интерфейсом не самый острый вопрос при формировании нового
и интегрированной антенной решеткой. поколения систем беспроводной связи, самые пер-
Все это предопределило интерес ведущих миро- вые подвижки в этом направлении уже есть [16].
вых производителей к миллиметровому диапазону Системы беспроводной связи, входящие в 5G, можно
на уровне систем абонентского беспроводного условно разделить на собственно сеть радиодоступа
мобильного доступа – то есть на уровне решений (БС – терминал пользователя, возможно – терминал-
5G. Это и Samsung, и Nokia, и Huawei. Опубликованы терминал) и опорные сети (связь между базовыми
результаты экспериментов по распространению станциями, между базовыми станциями и сетевым
радиосигналов в городских условиях в диапазонах оборудованием и т. п.). Для 5G последний тип сетей
28, 38, 60, 72 ГГц. Сначала это были работы группы (backhaul) становится все более актуальным, осо-
проф. Т.Раппопорта в Нью-Йоркском политехниче- бенно с учетом такого направления, как сверхплот-
ском университете [11–13], а затем к ним присоедини- ные сети на основе малых сот. Более того, на основе
лись другие исследователи, в частности, из компа- модного сегодня тренда переноса функциональ-
ний Nokia Siemens Networks [14] и Samsung Electronics ности в ЦОД и даже в "облако" появился новый
[15]. И эти результаты оказались не просто обнадежи- термин – fronthaul. Это высокоскоростной, выде-
вающие, они в 2013 году и позволили говорить о связи ленный канал связи для передачи "сырых" данных
в мм-диапазоне как об одном из базовых подходов от трансивера (вплоть до квадратурных состав-
к поколению 5G. ляющих непосредственно от модулятора) в центр
обработки, где и выполняется вся обработка сиг-
Стандартизация: все еще впереди нала. Для беспроводной передачи данных в опорных
Один из краеугольных камней в процессе внедре- сетях речь в основном идет о частотных диапазонах
ния любой глобальной технологии – стандартиза- 60 ГГц для малых сот (в силу быстрого затухания)
ция. Процесс сложный и длительный, поскольку и о Е-диапазоне (71–76, 81–86 и 92–95 ГГц), послед-
требует учета интересов всех будущих игроков 5G, ний уже сегодня активно используется в системах
а это – ведущие мировые производители элемент- связи "точка-точка" (радиорелейных системах).
ной базы и телекоммуникационного оборудования, В области сетей радиодоступа в мм-диапазоне
острейшие конкуренты, каждый – со своим пулом разные исследователи, компании и организации
патентованных решений. Необходимо выбрать опти- называют достаточно различные диапазоны. Так,
мальное решение и при этом найти должный вза- группа проф. Т.Раппопорта проводила исследова-
имный компромисс. Но пока в 5G о стандартизации ния в тесном сотрудничестве с компанией National
речи не идет – просто нечего стандартизировать. Instruments в диапазонах 28, 38 и 60 ГГц, а позднее,
Развитием технологий 5G занимаются во всем мире. при участии Nokia Siemens Networks (ныне снова
В Европе достаточно назвать два крупных проекта – Nokia Solutions and Networks) – в диапазонах 72–73 ГГц.
METIS и 5GNOW. Известны и другие крупные между- Компания Samsung Electronics, как один из лидеров
народные и национальные проекты, в которых уча- направления систем связи в мм-диапазоне, про-
ствуют альянсы ведущих производителей телеком- демонстрировала прототип в диапазоне 28 ГГц.
муникационного оборудования, научные центры Опубликованы результаты совместной работы Nokia
и регуляторные органы. Solutions and Networks и японской NT T DOCOMO
На предстоящей в ноябре 2015 года Всемирной над системой в диапазоне 73,5 ГГц [17]. В апреле 2015
конференции по радиосвязи (WRC-2015) ITU пред- на Бруклинском саммите 5G компания Nokia про-
полагается лишь заслушать доклад о технологиче- демонстрировала скорость в 10 Гбит/с в диапазоне
ских тенденциях в области будущих систем связи. 73 ГГц. Кроме того, известны эксперименты NT T
На этой конференции должен быть сформулиро- DOCOMO в области 5G на частотах 20 и 15 ГГц (послед-
ван план, по которому будет строиться работа ние – с Ericsson, скорость 5 Гбит/с, прототип демон-
в области стандартизации будущей сети. Начнется стрировался на выставке MWC-2015 в Барселоне).
54 ЭЛЕК ТР ОНИК А наука | технология | бизнес №7 (00147) 2015Связь и телекоммуник ации www.electronics.ru
Национальные регуляторы пока практически 4. Вишневский В., Фролов С., Шахнович И. Радиорелейные
не приступали к рассмотрению вопросов частот- линии связи в миллиметровом диапазоне: новые горизонты
ных ресурсов для 5G. Пионер в этом направлении, скоростей // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ. 2011. № 1. С. 90–97.
Федеральная комиссия связи США (FCC), в качестве 5. Recommendation ITU-R M.1645. Framework and overall
приоритетных называет диапазоны 27,5–29,5; 37–40,5, objectives of the future development of IMT-2000 and systems
47,2–50,2; 50,4–52,6 и 59,3–71 ГГц [18]. Консалтинговая beyond IMT-2000. – ITU, 2010.
компания Quotient Associates в своем отчете для 6. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology,
национального регулятора Великобритании Ofcom 2014–2019. URL: www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/
в качестве приоритетных указала диапазоны 66–71; service-provider/ip-ngn-ip-next-generation-network/white_
45,5–48,9; 40,5–43,5 ГГц [19]. paper_c11–481360.html.
Ряд международных организаций и объединений 7. Chih-Lin I, Corbett Rowell, Shuangfeng Han, Zhikun
также приводят свои данные о возможных диапазо- Xu, Gang Li, Zhengang Pan. Toward Green and Soft: A 5G
нах для 5G. Так, европейский проект METIS рассма- Perspective // IEEE Communications Magazine. 2014. № 2.
тривает частоты от см-диапазонов до 86 ГГц. Как February. P. 66–72.
средне- и высокоприоритетные отмечены диапазоны 8. Tan Wang, Gen Li, Jiaxin Ding, Qingyu Miao, Jingchun
10; 28–29; 32–33; 43; 46–50; 56–60 и 81–86 ГГц. ITU Li, and Ying Wang. 5G Spectrum: Is China Ready? //IEEE
условно называет следующие диапазоны в области Communications Magazine. 2015. № 7 July. P. 58–65.
20–50 ГГц "приоритетными для рынка мобильных 9. ICT-317669-METIS/D1.1. Scenarios, requirements and KPIs for
систем": 21,2–23,6; 25,25–29,5; 31–31,3; 36–40,5 и 42,5– 5G mobile and wireless system. – Project METIS, 2013.
50 ГГц (за вычетом полосы 40–40,2 ГГц). Однако все 10. Шахнович И. Миф о затухании свободного пространства:
приведенные данные носят характер рекомендаций, чего не писал Г.Т.Фриис // Первая миля. 2014. № 2. С. 40–45.
которые предполагаетс я обсуждать на Всемирной 11. Rappaport T.S. et al. Millimeter Wave Mobile Communications
конференции по радиосвязи WRC в 2019 году. for 5G Cellular: It Will Work! // IEEE Xplore Digital Library, May
2013.
*** 12. Rappaport T.S. et al. Broadband Millimeter-Wave Propagation
Таким образом, говорить о появлении сетей 5G ранее Measurements and Models Using Adaptive-Beam Antennas for
2020–2025 годов не приходится. И это хорошо – у рос- Outdoor Urban Cellular Communications // IEEE Transactions
сийских производителей и исследователей есть время on Antennas and Propagation. Vol. 61. №.4. April 2013. Р.
активно включиться в этот процесс. Иначе в очередной 1830–1839.
раз весь рынок поделят Samsung и Huawei, а сотня мил- 13. Rappaport T.S. et al. 73 GHz Millimeter-Wave Indoor and
лионов российских пользователей продолжит финан- Foliage Propagation Channel Measurements and Results. – NYU
сировать телекоммуникационные корпорации зару- WIRELESS: Department of Electrical and Computer Engineering,
бежных стран. NYU Polytechnic School of Engineering, Tech. Rep. 2014–003,
А пока мир ищет подходы к реализации 5G, в умах July 2014.
исследователей рождаются новые идеи – призрач- 14. Amitabha Ghosh. Can Mmwave Wireless Technology meet the
ные, фантастические, нереализуемые, – которые через future capacity crunch // IEEE ICC, June 2013.
какое-то время лягут в основу концепций систем связи 15. Wonil Roh. Performances and Feasibility of mmWave
6G. А затем воплотятся в массовом оборудовании, в гад- Beamforming Prototype for 5G Cellular Communications // IEEE
жетах, без которых не будет мыслить себя ни один ICC, June 2013.
тинейджер образца 2030–2035 годов. 16. Тихвинский В., Бочечка Г. Перспективы миллиметро-
вого диапазона для 5G в России // Первая миля. 2014. № 2.
Литература С. 36–39.
1. Zhouyue Pi and Farooq Khan. An Introduction to Millimeter- 17. Mark Cudak, Tom Kovarik, Timothy A. Thomas, Amitava
Wave Mobile Broadband Systems // IEEE Communications Ghosh, Yoshihisa Kishiyama, Takehiro Nakamura.
Magazine. June 2011. Р. 101–107. Experimental mmWave 5G Cellular System. – Globecom
2. Zhouyue Pi, Farooq Khan, Jiazhong Zhang. Techniques 2014 Workshop Mobile Communications in Higher Frequency
for millimeter wave mobile communication. – US Paten Bands, p.377–381.
Application Publication № 61/299304, приоритет от 29 октя- 18. 5G Spectrum Recommendations. – 4G Americas, August 2015,
бря 2010 г. www.4gamericas.org.
3. Вишневский В., Фролов С., Шахнович И. Миллиметро- 19. 5G Candidate Band Study. Study on the Suitability of Potential
вый диапазон как промышленная реальность. Стандарт Candidate Frequency Bands above 6GHz for Future 5G Mobile
802.15.3с и спецификация WirelessHD // ЭЛЕКТРОНИКА: Broadband Systems. – Final Report to Ofcom, March 2015,
НТБ. 2010. № 3. С. 70–79. URL: www.quotientassociates.com.
№7 (00147) 2015 ЭЛЕК ТР ОНИК А наука | технология | бизнес 55Вы также можете почитать
