В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

5G: облик будущих систем мобильной связиЧасть 2
5G: Image of future systems the mobile communication
Part 2

Главные решения, подходы и принципы 5G

Предварительные решения, подходы и принципы в отношении 5G изложены в документах [1–5, 7–11].

Главные принципы и подходы к 5G

• Предпочтительное ограничение количества технологий в целях минимизации операционных расходов.
• Обязательность обратной совместимости с предыдущими технологиями.
• Непрерывное развитие технологии LTE в частотном диапазоне ниже 6 ГГц, дополненном диапазонами более высоких частот (6–100 ГГц).
• Как альтернатива – абсолютно новый радиоинтерфейс, имеющий совместимость с существующими интерфейсами.
• Интеграция с дополнительными технологиями (3GPP с non-3GPP), в том числе 3GPP и Wi-Fi.

Ключевые решения и потенциальные технологические компоненты 5G

• Применение малых сот Small Cell со сверхплотным распределением (один приемопередатчик на каждого пользователя), разгружающих макросоты сети с разделением сред передачи команд управления и пользовательского трафика между макро- и Small-сотами в разных полосах частот (концепция "Phantom Cell").
• Применение так называемых "массивных" (многомерных) MIMO, в которых эффективно реализуется режим динамического формирования направленных лучей для передачи (3D/Beam forming), позволяющий увеличить энергетический выигрыш в ожидаемых высоких диапазонах частот и улучшить покрытие и спектральную эффективность в ультраплотных малых сотах (рис. 11).
• Использование новых методов множественного доступа, получивших название Non-Orthogonal Waveform и дающих выигрыш в спектральной эффективности по отношению к OFDM.
• Применение полного дуплекса FD (Full Duplex) – одновременной передачи и приема в общей полосе частот, преимущественно в коротких соединениях "точка-точка" (D2D) (рис. 12).

Потенциальные технологические компоненты 5G, рассматриваемые уже сегодня

• Методы снижения внутрисистемных помех (координация передач в смежных сотах, усовершенствованные методы приема).
• Централизованная архитектура радиосети (распределенная RAN, координация центральных диспетчеров, методы самоконфигурации и самооптимизации RAN).
• Алгоритмы соединений устройств с ограниченным энергопотреблением M2M.

Специфические решения

Эти решения главным образом затрагивают технологическую концепцию будущей сети радиодоступа FRA. Видение концепции FRA описано в [5]. В ее основе видится более эффективное комплексное применение нескольких методов множественного доступа, среди которых важная роль отдается неортогональным методам [5]. Дело в том, что ортогональный метод OFDMA был принят в LTE по соображениям снижения внутрисистемных помех и простоты обработки сигналов в абонентских устройствах, но имеет недостаток. Этот недостаток связан в основном с невозможностью достичь максимальных пользовательских скоростей передачи данных при одновременном обслуживании нескольких абонентов, а в контексте новых требований для 5G он становится особенно существенным. Кроме того, распределение ортогонального ресурса требует строгой синхронизации, что сопряжено с дополнительными временными задержками в радиоинтерфейсе, неприемлемыми в случаях многочисленных соединений в реальном масштабе времени, которые были отмечены в начале статьи.

Фокус исследовательских работ в рамках 5G и сосредоточен именно на поиске новых методов множественного доступа, ибо эта область реально содержит потенциал для устранения отмеченных недостатков за счет разных схем выделения нескольким пользователям одного и того же ресурса (неортогональное назначение ресурса как во временном, так и в частотном доменах).

В табл. 3 абстрактно перечислены исследуемые сегодня методы множественного доступа для 5G.

Эти методы пока не систематизированы и в некоторых случаях дублируют друг друга, имея разные названия. Дополнительно им можно дать краткую характеристику, указав на источники с более детальным описанием.

FBMC (Filter-Bank Multi-Carrier Modulation) – метод частотного мультиплексирования с множеством несущих, сформированных с использованием банка (гребенки) частотных фильтров. Название метода выбрано не совсем удачно, поскольку оно не позволяет однозначно судить о сути метода (к примеру, под данное определение подпадает и OFDM, в котором используется банк фильтров быстрого преобразования Фурье). На самом деле в основе FBMC лежит дополнительная процедура фильтрации многочастотного сигнала перед выполнением преобразования Фурье, она позволяет существенно подавить внепо-лосное излучение и повысить спектральную эффективность многочастотного сигнала [8–10]. При FBMC частотное уплотнение каналов соответствует части символьного интервала между поднесущими частотами, что может вызывать перекрытие их спектров и дает основание отнести метод к Non-Orthogonal Waveform.

F-OFDM (Fast-OFDM) или N-OFDM (Non-Orthogonal-OFDM) [13] и не упомянутый ранее метод FTN (Faster-Than-Nyquist Signaling) схожи по своей сути [8–9]. Метод F-OFDM отличается от OFDM применением частотного разнесения поднесущих с уменьшенным вдвое интервалом. По мере увеличения частотного уплотнения уровень внеполосного излучения сигналов снижается. В основе метода лежит тот факт, что действительная часть коэффициента корреляции двух комплексных поднесущих частот равна нулю, если разнос между ними кратен целому числу 1/2T. Несмотря на двукратное уплотнение по частоте, сигналы по-прежнему остаются ортогональными друг другу. Но выигрыш в спектральной эффективности по отношению к OFDM возможен только при использовании вещественного представления сигналов и одномерных (вещественных) схем их модуляции – BPSK.

SCMA (Sparse Code Multiple Access) – неортогональный метод, при котором мультиплексирование каналов осуществляется с помощью прореженных кодовых слов (Codeword) из некоторого набора кодовых книг (Codebooks), за счет этого происходит кодовое разделение каналов, но с меньшей степенью неортогональности, чем в W-CDMA [11].

NOMA (Non-orthogonal multiple access) строится на развитии алгоритмов эффективной компенсации внутрисистемных помех, позволяющих применять неортогональный метод множественного доступа. Возникающие при этом внутрисистемные помехи могут быть скомпенсированы за счет мультиплексирования пользовательских каналов при учете различий потерь на трассе распространения сигнала каждого пользователя.

Подводя итог, можно сказать, что сегодня уже складывается первое впечатление о будущих системах мобильной связи 5G, из которого следует, что речь не идет о полной замене существующих технологий, а скорее – о дальнейшем их развитии и дополнении новыми технологиями. n

Литература

1. 5G Radio Access. Research and Vision. – Ericsson White Paper. Jule 2013.
2. Dr. Shahram G. Niri. Toward 5G. LTE World Summit 2013. – 5G Innovation Centre, University of Surrey. June 2913.
3. Eiko Seidel. 3GPP LTE-A Standardisation in Release 12 and Beyond. – Nomor Research GmbH, Munich, Germany. January 2013.
4. Eric Hardouin. 5G: an operator’s perspective. – Orange Labs. LTE World Summit. 25 June 2013.
5. T. Nakamura. RAN Evolution Beyond Release 12. – NTT DoCoMo, Inc. LTE World Summit. 25 June 2013.
6. 4G Americas’ Summary of Global 5G Initiatives.– 4GAmericas. June 2014.
7. IMT Vision – "Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond". – Draft new Recommendation ITU-R M. [IMT.VISION]. October 2014.
8. Deliverable D2.2. Novel radio link concepts and state of the art analysis. – 7 Framework Programme. Document ICT/METIS. October 2013.
9. Deliverable D2.3. Components of a new air interface-building blocks and perfomance. – 7 Framework Programme. Document ICT/METIS. October 2013.
10. M. Bellanger. FBMC physical layer: a primer. – PHY-DYAS. 06/2010.
11. Kekvin Au, Liqing Zhang, Hosein Niopour, Eric Yi, Alizera Bayesteh, Usa Vilaipornsawai, Jianglei Ma, Peiying Zhu. Uplink Contention Based SCMA for 5G Radio Access. – Huawei Technologies Canada Co, LTD. 2013.
12. Скрынников В.Г. Будущий облик 5G. – Электросвязь. – № 10, 2013.
13. Слюсар В. Неортогональное частотное мультиплексирование (N-OFDM) сигналов. – Технологии и средства связи. – № 5, 2013.
14. www.metis2020.com.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #1, 2015
Посещений: 5370

Автор Василий Скрынников Эксперт ОАО "Мобильные ТелеСистемы", к.т.н. Всего статей:  11

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций