На пути к 5G

Порог беспроводного подключения в 1 гигабит в секунду преодолен на оборудовании коммерческой сети, и ни кем иным, как отечественным оператором «большой тройки». Это долгожданное событие для отрасли, еще с  тех далеких времен, когда ITU опубликовал требования к скоростям передачи данных для 4G. Время шло, на рекламных плакатах операторов появлялись заманчивые слоганы с упоминанием сетей четвертого поколения, на международных форумах специалисты утверждали, что LTE=4G и что WiMAX «уже не тот», а тем временем Гигабита в своем смартфоне не видел ни один рядовой абонент. И на этот раз такое грандиозное событие никак нельзя было упускать, на самом ли деле удалось разогнать не только терминальное, но и абонентское оборудование до гигабитных скоростей, или это очередная рекламная утка? С этим вопросом нам и предстоит разобраться ниже.

Развитие поколений сетей беспроводного доступа

Новые поколения технологий беспроводной передачи данных делают эволюционный скачок раз в 10 лет. Такая тенденция наблюдается с начала появления аналоговых телекоммуникационных сетей в лице NMT (Nordic Mobile Telephone) в 80-х годах, когда появившиеся сети первого поколения 1G использовали аналоговую модуляцию радиосигнала и предназначались исключительно  для передачи голосового трафика. Ниже краткая характеристика 1G абонентских терминалов:

Технология 1G

Недостатки

В начале 90-х произошел скачок в развитии, и аналоговые беспроводные системы были заменены на цифровые в лице стандарта GSM, существующего по сей день. Благодаря применению цифровых методов обработки сигналов и данных стало возможным передавать цифровую информацию в виде СМС сообщений и шифрованного голосового трафика. Новые революционные решения были названы сетями второго поколения 2G. К слову сказать, термин 1G появился одновременно с 2G, и с этого момента началась гонка, в которой менеджеры пытались обогнать разработку стандартов, называя новые появляющиеся на рынке технологии и сервисы (например, GPRS) как 2.5G, 2.75G и пр.

Технология 2G

• Позволяет передавать SMS/MMS сообщения
• Скорость 64 Кбит/с
• Лучшее по сравнению с 1G качество голоса

Недостатки

Технология 2.5G

В начале двухтысячных годов Международный Союз Электросвязи (ITU) дал зеленый свет новому стандарту IMT-2000, который описывал технологии третьего поколения – 3G. Главным требованием стандарта было обеспечение предоставления доступа к услугам сети Интернет на скорости передачи данных в 2 Мбита для стационарного абонента. Из-за большого количества рекламы различных операторов связи разобраться с тем, что является настоящим 3G, может быть не так-то просто. Ведь в начале 00-х появилось большое количество семейств стандарта IMT, среди которых наибольшее распространение получили: UMTS с широкополосным множественным доступом и кодовым разделением W-CDMA; и CDMA2000 с IMT-MC. Чаще всего за эталон сетей 3G принята UMTS с надстройкой HSPA, дающая возможность высокоскоростной передачи пакетного трафика.

Технология 3G

В недалеком 2010-м году ITU опубликовала требования к сетям четвертого поколения. 4G должен был обеспечить скорость передачи пакетных данных по протоколу IP для мобильного абонента в 100 Мбит/с, и для стационарного – 1 Гбит в секунду. Казалось бы, такие жесткие требования стандарта недостижимы в ближайшее время, но операторы связи и разработчики телекоммуникационного оборудования делают все возможное, чтобы быть «в тренде» и обогнать конкурентов. К сожалению, там, где начинается такая гонка – страдают в первую очередь пользователи. ITU предъявляет такие жесткие требования к сетям следующих поколений, что реализация коммерческих сетей, удовлетворяющих этим требованиям, становится зачастую нереализуемой компанией.

Технология 4G

Вот уже несколько лет сети 4G в лице LTE/LTE-Advanced «на слуху» у абонентов и операторов связи, но скоростей в 1 Гигабит рядовой пользователь никогда не увидит, ибо для этого он должен сидеть прямо под базовой станцией и быть единственным абонентов в секторе ее обслуживания. А тем временем вовсю идет работа над стандартом сетей пятого поколения 5G. Пока что в открытом доступе находится лишь разработанная дорожная карта, но даже из нее можно почерпнуть достаточно много информации для понимания сути вещей.

Все работы над новым поколением сетей производятся в рамках IMT-2020 – документа, являющегося продолжением IMT-2000 и IMT-Advanced. Таким образом, работа по внедрению коммерческих 5G-сетей планируется на 2020 год, и экватор мы уже преодолели. Также озвучена максимальная скорость передачи информации, и она в сетях пятого поколения составляет 20 Гбит/сек для стационарного абонента. В основу построения сетей с такой пропускной способностью ляжет нашумевший IoT (Интернет вещей) с возможностью подключения миллиона IoT-устройств на площади в один квадратный километр. На февраль 2018 году на Олимпийских играх в Корее уже запланирована демонстрация возможности первых 5G-сетей.     

Порог в 1 Гигабит в секунду преодолен

В российском телекоме развитие сетей пятого поколения не стоит на месте, и порог мобильной передачи данных на скорости в 1 Гбит/с для коммерческой сети преодолен в июня 2016 года. Это лишь маленький шажок для оператора на пути к 20-ти гигабитным скоростям, но это уже не тот случай, когда такие скорости демонстрировались лишь в лабораторных условиях. На Петербургском международном экономическом форуме «МегаФон» на примере терминального оборудования Huawei продемонстрировал пиковую скорость загрузки данных в 1,24 Гбит/с. Вот как это выглядело на презентации, слева на столе можно увидеть терминальное устройство Huawei, а справа — LTE модем от Qualcomm:

Для демонстрации эксперимента использовалась дооснащенная базовая станция и терминальное оборудование компании Huawei, на фото выше они убраны за декоративные панели бело-зеленого цвета. Используемого оборудования в продаже на территории РФ еще не появилось, поэтому возможности указать точную модель не представляется возможным. Известно только, что это модификация БС Huawei DBS3900, на борту которой стояли более мощные платы процессора, позволяющие обработать гигабитные объемы трафика. Базовая станция была оснащена выносными активными антенными блоками AAU3961, использующими стандартную кросс-поляризацию +45⁰, -45⁰. Также потребовалась настройка протоколов, позволяющая организовать гигабитное подключение. На сегодняшний день китайская компания Huawei является самым крупным инвестором в сети пятого поколения и делает существенный вклад в исследование технологий, позволяющих достичь амбициозных скоростей.  

Внутрь коробов заглянуть не удалось, но в целом визуальное представление об используемой базовой станции можно получить из рисунка ниже, соответственно ее RRU (слева) и BBU (справа) модули:

В сборе должно выглядеть так:

Для тестирования пропускной способности базовой станции пришлось использовать ПК с серверной сетевой картой, поддерживающей скорости до 10 Гбит/с. Соединение производилось посредством оптического кабеля.
В качестве абонентского устройства выступал модифицированный модем Qualcomm Snapdragon X16 LTE, поддерживающий гигабитные скорости беспроводного подключения:

Процессор этого модема способен обеспечить цифровую обработку сигнала с модуляцией 256-QAM, дающая 30%-й прирост скорости передачи данных по сравнению с 64-QAM. И конечно же, когда речь идет о таких скоростях, на сегодняшний день нельзя обойтись без MIMO и Carrier Aggregation. В этом модеме реализована MIMO 4x4 на двух несущих, кроме того, модем может производить агрегацию четырех частотных каналов шириной по 20 МГц. К слову сказать, на сегодняшний день в России нет ни одного оператора, который мог бы сагрегировать 4 несущие частоты по 20 МГц. Ближе всех к этой цифре находится МегаФон, в распоряжении которого есть три несущие. Перечисленные возможности модема относились к Downlink-трафику. Для Uplink дела обстоят не менее красочно: агрегация до двух несущих по 20 МГц, модуляция 64-QAM и поддержка двух потоков до 75  Мбит/сек. Таким образом, модем поддерживает беспроводную передачу данных в 1 Гбит/сек на Downlink, и 150 Мбит/сек в Uplink.

С целью обеспечения наилучших показателей технологии MIMO и обеспечения режима 4x4, элегантный «квалкомовский» модем пришлось модернизировать четырьмя выносными omni-антеннами, в «базовой комплектации» устройства такое решение, конечно же, не предусмотрено.

Но на рекорд шел не абонентский терминал Qualcomm, хоть и показывал близкие к гигабиту скорости, а терминальное устройство Huawei:

Терминальное устройство было специально сконфигурировано под конкретную задачу и использовало в общей сложности 12 антенн: по три на каждый диапазон. Те, что побольше — очевидно работают в диапазоне 1800 МГц. Во время тестирование терминала от Huawei была продемонстрирована максимальная скорость в 1.245 Гбит/с и средняя в 1.137 Гбит/с:

Для демонстрации заявленных скоростей, преодолевающих порог в 1 Гбит/с, была использована агрегация трех несущих: 20 МГц из диапазона 1800 МГц (Band 3), и 20+20 МГц в диапазоне 2600 МГц (Band 7). Модуляция использовалась максимально возможная для данного оборудования — 256-QAM и технология MIMO 4x4. К слову сказать, «МегаФон» уже неоднократно использует свои частотные преимущества, так в начале 2015 года компания продемонстрировала скорость в 450 Мбит/с в сетях LTE, также используя агрегацию трех частотных каналов.

Таким образом, интеграторы оператора произвели грамотную настройку и отладку существующих и доступных для коммерческого использования топовых решений для беспроводных технологий. Тандем оператора с крупнейшими производителями Qualcomm и Huawei позволил реализовать этот скачок. И на сей раз история развития поколений беспроводного доступа делает новый виток, и существующий технический прорыв позиционируют как 4.5G. Вновь маркетологи берут управление стандартом в свои руки, следуя зову мирового тренда. Официальное же название технического решения — LTE-Advanced Pro.    

Ответы на вопросы интеграторов

На какой местности производилось тестирование скорости и какого качества будет интернет в условиях мегаполиса?

Тестирование проводилось фактически в идеальных условиях. Один абонент находился в секторе в хороших радиоусловиях, исключена помеха от соседних сот. Сказать, какая скорость передачи данных будет в реальных условиях – сложно, слишком много различных факторов будут оказывать на неё влияние.

Сколько абонентов было подключено к сети и на каком расстоянии от базовой станции они находились при тестировании пропускной способности сети?

Расстояние между тестовым терминалом и антенной не превышало 5 м.

На каком расстоянии от базовой станции пользователь сможет получить 1 Гбит в условиях мегаполиса?

Важным условием достижения скоростей передачи данных порядка 1 Гбит/с является использование модуляции 256-QAM, которая даёт примерно 30% рост скорости передачи данных по сравнению с модуляцией 64-QAM. Пиковые скорости порядка 1 Гб/с будут доступны абонентам только в отдельных хот-спотах.

Планируется ли передача пакетного телевизионного трафика по сетям 5G, возможно, уже разрабатываются специальные тарифные планы?

Технически это возможно, вопрос договоренностей о тарифах и наполнении контентом.

Возможно как и прежде производить плавную интеграцию 5G-сетей путем замены некоторых блоков/модулей установленных базовой станции, или же требуется полная замена оборудования?

Возможные сценарии развёртывания сетей пятого поколения будут понятны после завершения проработки пилотных проектов стандарта в 2018 г. С учетом использования дополнительных частотных диапазонов, вероятно, потребуется проводить модернизацию.

Какие модули базовой станции следует заменить, чтобы из 3G/4G-станции она «превратилась» в базовую станцию сетей пятого поколения?

На текущий момент невозможно прокомментировать этот вопрос. В первую очередь – радиомодули.

Ранее указывалось, что «испытание сети проводилось с использованием терминального оборудования Huawei и прототипа абонентского терминала Qualcomm». Какие габариты имел «прототип» абонентского терминала? Очевидно, что он имел выносные антенные модули?

Прототип абонентского терминала Qualcomm имел размеры 17,5 х 8,5 х 2 см. Да, у прототипа были четыре выносные антенны.

И все-же, для достижения скоростей в 1 Гбит требуется организация нескольких каналов передачи между абонентом и базовой станцией с помощью технологии MIMO 4x4. Какое энергопотребление имеет абонентский терминал с 4-мя активными антеннами?

Предоставленный Qualcomm прототип имел внешний источник питания. Актуальные значения энергопотребления будут понятны после того, как появятся коммерчески доступные терминалы. Следует отметить, что четыре антенны используются только для приёма. Для передачи данных терминал использует только одну антенну.

На каком расстоянии друг от друга должны находиться приемопередающие антенны для корректной реализации режима работы в MIMO?

Если речь идёт об антеннах базовой станции, то они могут быть расположены в одном корпусе стандартной антенны. Например, AAU3961 имеет размер 1550 х 370 х 230 мм.

Если речь идёт об антеннах абонентского терминала, то всё будет зависеть от использованного инженерного решения производителя терминала. У прототипа Qualcomm выносные антенны были расположены на расстоянии примерно 20 см друг от друга.

Сколько абонентов на сектор поддерживает тестируемое оборудование Huawei? Какие реальные скорости можно получить при полной загрузке оборудования?

Максимум — 10800 абонентов на одну плату БС, в тестовом макете были задействованы две такие платы. Реальные скорости передачи данных при полной загрузке оборудования зависят от большого числа факторов: числа активных абонентов и их распределения в соте, помеховой обстановки и т.п.

Сколько OFDMA-символов передается во фрейме при реализации пиковых скоростей передачи данных?

Проводилась демонстрация эволюции LTE-A. Использовался normal CP. Соответственно, в каждом subframe было 7 OFDM символов.

Если использовать базовую станцию пятого поколения, но при этом терминал абонента изменений претерпевать не будет (у него одна антенна и старое ПО), то на сегодняшний день какую скорость передачи данных можно обеспечить мобильному абоненту?

Обратной совместимости стандарта 5G с предыдущими поколениями не будет. Соответственно, абонент со старым терминалом не сможет получить никаких сервисов в сетях пятого поколения.

Заключение

Очевидно, что для обеспечения реальных скоростей передачи данных по радиоканалу в 1 Гбит/с  для каждого абонента потребуется еще какое-то время, ведь для реализации технологий сетей пятого поколения требуется замена и модернизация не только базовых станций, но и мобильных устройств абонентов. Для них, как и прежде, камнем преткновения остается энергопотребление и тонкости реализации технологии MIMO (ведь габариты мобильных устройств ограничены), более того ограниченные вычислительные мощности имеют и процессоры абонентских устройств, ведь для расшифровки 256-QAM модуляции производительность требуется нешуточная.

Однако ведущие мировые производители и разработчики телекоммуникационного оборудования в полную силу трудятся над созданием устройств, приближающих нас к 5G-сетям, так, например, Qualcomm уже выпустил в массовое производство чипсет Snapdragon 820, позволяющий загружать данные на смартфон со скоростью до 600 Мбит/сек.    

Специфика передачи данных по радиоканалу имеет огромное количество тонкостей и нюансов, и даже если через пару лет пиковые скорости передачи данных порядка 1 Гбит/сек не будут доступны рядовым мобильным абонентам, то увеличение скорости беспроводного интернета в 2-3 раза точно гарантировано. Тем более, что порог скорости преодолен, и интернет вещей стал еще ближе. Вскоре работа всех инженерных систем и гаджетов от единой беспроводной вычислительной сети целого здания перестанет быть фантастикой. От управления «умным домом» до управления «умным городом» останется лишь рукой подать. Только представьте себе: город, в котором нет пробок; город, в котором информация о здоровье каждого жителя моментально передается в медицинские центры, чрезвычайные ситуации будут локализованы и предотвращены еще до того, как успеют набрать оборот. Возможно, именно так будут выглядеть беспроводные сети шестого и седьмого поколения?   

Автор: «МегаФон»

Источник