В этом году участники 3GPP приняли спецификации 5G NR для развёртывания сетей в автономном режиме (SA). Эти спецификации должны обеспечить поддержку новых возможностей — от сетевого сегментирования (network slicing) до большей гранулярности уровней качества обслуживания (QoS). Чтобы спрогнозировать реальные показатели работы устройств с поддержкой 5G и Gigabit LTE, работающих в сети с автономной реализацией архитектуры (SA), было проведено масштабное моделирование с использованием данных операторов разных стран мира. Предлагаем ознакомиться с результатами подробнее.
Испытания скорости загрузки в сетях 5G NR в диапазоне до 6 ГГц в Токио
Модель сегмента макросети 5G NR SA в Токио включала 20 новых базовых станций 5G NR, которые были расположены на тех же площадках, что и существующие соты LTE. Модель сети 5G NR в Токио работала в полосе 100 МГц диапазона 3,5 ГГц, а базовая сеть Gigabit LTE TDD — в трех диапазонах спектра LTE (3 × 20 МГц) (на рисунке 1). Распределение между базовыми станциями и устройствами было смоделировано на основе 3D-карт Токио высокого разрешения с учетом возможных потерь при распространении сигнала, затенения, дифракции, потерь при прохождении сквозь здания, помех и т.д.
Кроме того, моделирование включало использование различных радиотехнологий, включая Massive MIMO для 5G NR с 256 антенными элементами и 4x4 MIMO для сетей LTE TDD.
При моделировании использовалось несколько типов трафика, которые имитируют использование устройств в реальных условиях, а именно браузинг, загрузку файлов и потоковое воспроизведение видео. Помимо этого, моделирование проводилось для разных смесей (mix) конечных устройств с различными RF-возможностями (смартфоны разных LTE-категорий).
Рисунок 1: Результаты моделирования пропускной способности сетей 5G NR в Токио для диапазона до 6 ГГц при работе в автономном режиме (SA)
Более 12 000 активных пользовательских устройств различного типа были распределены по сети случайным образом, при этом примерно 50% из них находилась внутри помещения (indoor), и 50% — снаружи (outdoor). В ходе испытаний было продемонстрировано увеличение пропускной способности сети для нисходящего потока данных примерно в 5 раз при переходе из сети LTE TDD со смесью LTE-устройств с различных категорий на сеть 5G NR с использованием мультирежимных устройств с поддержкой 5G NR и Gigabit LTE. Другим существенным преимуществом оказалось то, что медианные показатели спектральной эффективности выросли в 3 раза.
Моделирование также дало представление о реальном пользовательском опыте взаимодействия с новыми сетями. Для его оценки применялись ключевые показатели, полученные при различной загруженности сети. Измерения проводились при браузинге (неравномерный трафик, просмотр страниц в интернете и социальных сетях), загрузке фильмов в высоком разрешении (размером 3 ГБ) из облачного хранилища, а также при потоковой передаче 360-градусного видео (разрешение 8К, 120 кадров в секунду, адаптивный битрейт).
Пример работы устройства 5G NR в сети Токио показан на рисунке 2. Максимальная скорость скачивания достигла 357 Мбит/с, что позволило без потерь передать и воспроизвести видео в разрешении 8К при 120 к/с (график распределения битрейта — в правой части рисунка). Также на рисунке 2 приведены основные показатели, полученные в ходе моделирования, включая скорость передачи данных, качество сигнала, спектральную эффективность, ранг MIMO и часто́ты спектра.
Рисунок 2: Ключевые показатели при потоковой передаче видео с использованием сетей 5G NR в диапазоне до 6 ГГц в автономном режиме (SA)
Ещё моделирование позволило сравнить, как устройства в сети передают данные в условиях различного качества сигнала — в 10-м (слабый сигнал/работа «на краю соты»), 50-м (среднее качество сигнала) и 90-м процентилях (идеальные условия).
Краткие итоги таковы (см. рисунок 3):
- зафиксировано более чем трёхкратное увеличение скорости загрузки при веб-серфинге: 102 Мбит/с для медианной категории пользователей сетей 4G LTE против 333 Мбит/с в сетях 5G NR;
- наблюдалось приблизительно трёхкратное уменьшение времени отклика: медианная задержка при загрузке снизилась с 48 до 14 мс;
- виден примерно четырёхкратный прирост скорости скачивания файлов в условиях слабого сигнала: 131 Мбит/с у 90% пользователей в сети 5G против 32 Мбит/с у пользователей в сети LTE;
- у пользователей в 10-м процентиле возможное качество потокового видео возросло с 480p при 30 к/с с 8-битной цветопередачей (LTE) до 8K при 120 к/с с 10-битной цветопередачей и выше (5G).
Рисунок 3: Пользовательский опыт на устройствах LTE Cat 9 и 5G NR в сравнении
Полученные результаты свидетельствуют не только о приросте скорости передачи данных в сетях 5G, но и о стабильном качестве связи даже при работе на краю соты, что позволяет задуматься о совершенно новых сценариях использования таких сетей.
Также симуляция позволила провести общее сравнение различных категорий устройств в конкретных условиях. На рисунке 4, в частности, можно видеть, что:
- фиксируется значительный прирост показателей при использовании сетей 5G NR, например, прирост скорости до гигабитного уровня, снижение задержки, стабильное качество связи и увеличение пропускной способности сети;
- велика важность сетей Gigabit LTE для обеспечения скоростной и стабильной связи для пользователей, которые покидают зону покрытия 5G NR.
Рисунок 4: Ключевые показатели для моделирования в Токио при неравномерном трафике — данные с учётом результатов, полученных от устройств 90-го процентиля
Моделирование в восходящем канале данных (uplink) в сетях 5G NR в диапазоне до 6 ГГц в Токио
Достижимые скорости передачи данных с использованием сетей 5G часто становится предметом активного обсуждения. И почти всегда речь идёт о скорости в нисходящем канале из сети и о том, какие новые возможности это может дать, а о скорости в восходящем канале (uplink) говорится очень мало. Но ведь последний параметр не менее важен, так как разработчикам приложений необходимо понимать, какой скорости в восходящем канале стоит ожидать от сетей нового поколения, до того, как они начнут разработку или обновление своих продуктов.
Именно поэтому мы первыми в отрасли добавили возможность анонсированного детализированного моделирования скорости выгрузки данных в рамках нашей платформы тестирования возможностей сетей 5G NR и пользовательского опыта взаимодействия с ними. Эта платформа разработана с тем и таким образом, чтобы предоставить количественные данные относительно ожидаемой в реальном мире производительности сети в выгрузке данных и пользовательского опыта при работе с мультирежимными устройствами 5G NR и Gigabit LTE TDD, работающими в сетях 4G/5G NR автономной архитектуры.
Как видно на рисунке 5, испытания показали практически трёхкратный прирост скорости выгрузки данных при переходе с использованием смеси различных устройств от сетей LTE к сетям 5G NR.
Рисунок 5: Результаты моделирования возможностей сетей 5G NR автономной архитектуры в диапазоне ниже 6 ГГц для восходящего канала данных
На рисунке 6 показан пример устройства 5G NR реализующего модель трафика, соответствующую загрузке в «облако» файл PowerPoint. Максимальная скорость выгрузки при таком сценарии использования достигла 78 Мбит/с и для передачи файла понадобилось менее 30 секунд. Также на рисунке указаны ключевые показатели, включая качество сигнала, спектральную эффективность, ранг MIMO и часто́ты спектра.
Рисунок 6: Скорость выгрузки файлов и ключевые показатели при использовании сетей 5G NR SA в диапазоне ниже 6 ГГц
Трансляция видеоконтента в прямом эфире — ещё один важный пример использования современных устройств. Качество трансляции здесь напрямую зависит от скорости выгрузки данных в сеть (в uplink-е). Учитывая, что многие социальные сети уже предлагают функцию видеотрансляций, постепенно увеличивается и количество заинтересованных в ней пользователей. На рисунке 7 показано сравнение между средними показателями скорости при использовании LTE UL CAT 13 и 5G NR. Моделирование показало, что пользователь сетей 5G может транслировать видео в реальном времени в 4K без ухудшения качества изображения из-за потери пакетов, в то время как пользователю LTE CAT 13 не хватает пропускной способности сети, чтобы передавать данные в качестве выше 240p, и даже в этом случае часть пакетов теряется и картинка периодически «подвисает».
Рисунок 7: Сравнение передачи видео в прямом эфире между SA 5G NR в диапазоне до 6 ГГц и LTE UL CAT 13
Претворяя мечту о 5G в жизнь: от моделирования к реальности
Моделирование возможностей сетей 5G и пользовательского опыта взаимодействия с ними продемонстрировали потенциал технологий 5G, её производительности и работу сетей 5G и Gigabit LTE TDD в автономном режиме в реальных условиях. Полученные результаты также подтвердили значительный прирост скорости загрузки и выгрузки данных, которых позволяет добиться 5G NR, и готовность этих сетей к совершенно новым сценариям использования и реализации новых сервисов.
Помимо этого моделирования (и других аналогичных для других городов мира), компанией Qualcomm в течение года проводилиcь крупномасштабные натурные тесты с целью проверки в деле 5G-модема Qualcomm Snapdragon X50. Это делалось совместно с крупнейшими OEM-производителями, поставщиками инфраструктуры и операторами мобильной связи. И это ещё один шаг, ведущий к появлению на рынке первой волны потребительских устройств с поддержкой 5G, которая ожидается в первой половине 2019 года.
Автор: Qualcomm
