NFC Эксперт 5g для urllc и embb
Формально, сети NB-IoT и eMTC можно отнести к сетям 5го поколения, но в данной статье говоря о 5G мы будем говорить о высокоскоростной технологии. Итак, сценарии URRLC (будет включен в релиз 16 3GPP) и eMBB (уже определен в релизе 15 3GPP) находятся в зоне ответственности 5G.
Казалось бы, скорости и время задержки в существующих LTE сетях удовлетворяют большинству современных пользователей. Зачем потребителю 5G и какая от него польза?
Давайте рассмотрим инфограмму на рисунке 4, она отражает сферы применения услуг в зависимости от требований к пропускной способности и задержкам. В светлой части мы видим современные сферы применения, ставшие для нас повседневностью – такие как: онлайн игры, просмотр и выгрузка видео, удаленная телеметрия, контроль объектов, датчики и проч. Все эти приложения довольствуются каналом до 100 Мбит/сек и задержками выше 10 мсек.
Сферы применения в зависимости от требований к пропускной способности и задержкам в сети мобильной связи
А теперь обратим внимание на синюю часть инфограммы – это та область, которая открывается с 5G. Видно, что в целом 5G может как улучшить существующие сферы применения, так и породить новые. Рассмотрим некоторые самые интересные применения отдельно. Они нам помогут понять на сколько важным для нас на самом деле является внедрение сетей 5G. Начнем с простого – потоковое видео.
Sky office
На ранней стадии коммерческого развертывания 5G, за исключением смартфонов, ожидается, что ключевым 5G продуктом станет именно ноутбук с подключением к Sky Office. Sky Office – это концепция переноса вычислительных мощностей ноутбука в облако, при оснащении ноутбука встроенным 5G модемом.
Так, в облаке могут размещаться не только файлы пользователя (Cloud Drive), но и программное обеспечение, такое как MS Office 365 (Cloud Office) или игровые программные продукты (Cloud Games). В этой концепции ноутбук становится, проще говоря, экраном с клавиатурой и камерой.
Концепция Sky Office
Если сети сотовой связи обеспечат задержку в единицы миллисекунд и предоставят выделенный надежный канал связи на безлимитной основе (Network Slice), то работа со Sky Office в будущем может стать популярным способом применения ноутбука. При этом потребитель получит ряд интересных потребительских качеств, недостижимых с обычными ноутбуками:
Конечно, воплощение концепции Sky Office в реальность требует выстраивания целой экосистемы при участии игроков сразу нескольких отраслей, таких как: производителей операционных систем и ПО, производителей ноутбуков, операторов сотовой связи, облачных сервис-провайдеров, производителей чипсетов, производителей eSIM и модулей 5G.
Антенны базовых станций. заглянем внутрь
В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности (ДН) шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно, для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков.
А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.
Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Один из эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, что позволяет изменить площадь облучения диаграммы направленности.
Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей.
С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.
Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров!
С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии.
Бпла (дроны)
Телехирургия выставляет высокие требования к задержкам и надежности связи, но есть еще одна сфера требующая ко всему прочему и массовость подключения – БПЛА (Беспилотные Летательные Аппараты или «дроны»). Сегодня никого не удивишь легкими беспилотными дронами самых разных назначений – от развлекательных до специализированных военных дронов.
В разрезе внедрения 5G, в прогрессивных странах со стороны регулирующих органов к данной теме уже сегодня обращено серьезное внимание, в связи с чем проводятся работы по стандартизации и обеспечению безопасности в этой сфере. К примеру, в Европе существует специальная экспертная группа 5G PPP (5G Infrastructure Public Private Partnership, www.5g-ppp.
eu/5gdrones) на базе Европейcкой Комиссии и представителей индустрии информационно-коммуникационных технологий (операторы, провайдеры, институты, малый и средний бизнес) из Британии, Франции, Швейцарии, Австрии, Финляндии, Греции, Польши и Эстонии.
При наличии стандартов, регулирующих массовый оборот дронов, систем искусственного интеллекта, надежного, постоянного и быстрого беспроводного канала связи 5G для целого улья дронов, можно раскрыть новые рынки и сервисы в самых разных сферах. Представьте: дрон-курьеры, разносящие еду из магазинов или важные медикаменты в труднодоступные места; дроны-спасатели, ищущие потерявшихся в лесу или море людей и днем, и ночью; дроны-пожарные, тушащие очаги возгорания еще на начальной стадии; агрокоптеры, опрыскивающие зерновые культуры – и все в глобальном масштабе, а не в частных случаях.
Швейцарский почтовый дрон Swiss Post от Matternet
Транспортировка людей в труднодоступные места на грузовом дроне
Агрокоптер проводит обработку сельско-хозяйственных угодий
Пожарный дрон Predator-100 (Китай) тушит пожар
Спасательно-поисковый дрон швейцарской авиационно-спасательной организации Rega, самостоятельно ищущая людей
Дрон DJI Matrice 600 Pro доставляет почки умершего человека (США)
Глазами конечного абонента
Последний момент, о котором хотелось бы поговорить в этой статье — то, как выглядят услуги глазами конечных абонентов.
Скорость передачи данных для абонента неизбежно зависит от ширины спектральной полосы, отведенной для его потока информации. Если в поколениях 2G и 3G скорость была ограничена самим стандартом связи, то благодаря нововведениям 4G, скорость в большей степени определяется возможностями устройства.
В 4G (а точнее в LTE-Advanced, признанном Международным союзом электросвязи истинным стандартом 4G) появился механизм увеличения абонентской скорости — агрегация частот, в том числе из разных частотных диапазонов. В зависимости от характеристик устройство может задействовать до 4 полос по 20 МГц (в двух столицах на данный момент задействовать можно максимально 3 полосы у «Мегафона»).
Для агрегации 4х несущих устройство должно относиться к категории 16 (CAT16). 4х4 MIMO совместно с агрегацией позволяет скачивать данные на таких устройствах со скоростью до 980 Мбит/с. 3 несущие агрегируют устройства категорий 9 и 12 (CAT9 со скростью до 450 Мбит/с и CAT12 с 600 Мбит/с, соответственно), а наиболее простые устройства CAT4 вовсе не агрегируют, достигая скорости не более 150 Мбит/с. Подробнее о непосредственно моделях, поддерживающих ту или иную скорость,
Работает ли заявленная теорией агрегация на практике в условиях реального радиоприема? В рамках тестов Мегафоном на оборудовании Huawei была продемонстрирована скорость в 1 Гбит/с. Для этого использовалась агрегация трех несущих.
Как работает мобильная связь: ликбез
Обратите внимание на промышленные здания, городские высотки и специальные вышки. На них располагаются большие серые прямоугольные блоки с торчащими антеннами разных форм. Это приемо-передающие операторов сотовой связи. От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок станции. Вместе они и образуют базовую станцию [антенны и управляющий блок].
В свою очередь, контроллеры кабелями подключены к «мозговому центру» – коммутатору. Коммутатор обеспечивает выход и вход сигналов на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи, а также операторов междугородней и международной связи.
Несмотря на своё название, пчёлы в функционировании сотовой связи никак не задействованы. Сотовой связь называется потому, что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты.
Соты формируют многочисленные базовые станции – это совокупности антенн, расположенные где-то на крышах зданий.
Каждая такая станция способна поймать сигнал от сотового телефона на расстоянии до 35 километров.
Антенна базовой станции разбита на несколько участков, каждый из которых направлен в свою сторону.
Антенна может включать в себя до шести секторов, каждый из которых в состоянии обрабатывать до 72 звонков одновременно.
То есть теоретически одна базовая станция может обрабатывать до 432 звонков, правда на практике используется меньшее количество секторов антенны.
Провода от антенн тянутся в специальный домик, который по сути и является базовой станцией.
Физически она выполнена в виде двух железных шкафов, установленных в помещениях с хорошей системой вентиляции.
Как правило, базовые станции устанавливаются на чердаках или крышах в специальных контейнерах.
За городом антенны базовых станций как правило устанавливают на антенно-мачтовых сооружениях.
Это наиболее эффективный способ обеспечить связью трассы и большие территории за пределами города.
В этом случае базовые станции располагаются в специализированных вагончиках около вышек.
Провода спускаются от антенн и проникают в помещение.
С базовых станций вызов переводится на центральный контроллер, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением.
Контроллер и базовая станция связываются по оптическому или радиорелейному каналам. Один контроллер способен обслуживать до шестидесяти базовых станций.
Ниже вы можете увидеть, что из себя представляет коммутатор:
Коммутаторы размещают в больших помещениях, заполненных металлическими шкафами с оборудованием.
Задача коммутатора состоит в управлении трафиком. Если раньше чтобы поговорить друг с другом, абонентам нужно было сначала связываться с телефонисткой, которая затем вручную переставляла нужные провода, то теперь с ее ролью отлично справляется коммутатор.
Как усилить сигнал мобильной связи на расстояние 10 км и более
Для усиления интернет-сигнала нужны либо усиливающие сигнал антенны, либо усилители сигнала. Для города применяют всенаправленные антенны с усилением 9-15 Дб, эффективные на расстоянии от базовой станции до 5 км.
Для сельской местности используют антенны типа «Волновой канал», панельные MiMO, офсетные параболические с коэффициентом усиления от 15 Дб и более. Они способны эффективно работать на расстояниях 10 – 20 км до базовой станции. «Волновой канал» усиливает сигнал и увеличивает скорость интернета от 1,5 – 2,5 раз.
Менее требовательны к направлению и к расстоянию MiMO-антенны с усилением от 17 Дб до 24 Дб. В корпусе конструкции антенны находится 2 антенны, которые работают и на приём, и на отдачу сигнала. Благодаря этому связь становится более стабильной, скорость передачи данных увеличивается.
Однако сложный рельеф местности, наличие преград, место расположения потребителя сигнала диктуют наличие репитеров или усилителей сигнала. С помощью усилителя можно вытянуть практически отсутствующий сигнал.
Существуют одно-, двух- и трех- диапазонные усилители:
● GSM 900 (для голосовой связи);
● GSM 1800 (для голосовой связи);
● GSM 900/1800 (для голосовой связи);
● GSM/UMTS 900/1800/2100 (для голосовой связи и мобильного интернета 3G);
● GSM/DCS/LTE 900/1800 (для голосовой связи и мобильного интернета 4G);
● GSM/UMTS/LTE 900/1800/2100 (для голосовой связи и мобильного интернета 3G и 4G).
Многодиапазонные антенны
С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц.
В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:
Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.
Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein. Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно.
Широкополосная антенна типа “бабочка” может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.
Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты – тем больше относительный размер такого излучателя.
Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.
Для реализации трех- и более диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая “многоэтажная” конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями.
Потоковое видео
Участниками рынка прогнозируется смещение такого классического приложения как «видеостриминг» вправо, в сторону увеличения скоростей передачи данных без особых требований к задержкам. Главным драйвером для этого станет потребность в высококачественном 8K видео.
Сегодня в продаже есть телевизоры с поддержкой 4K видео и некоторые провайдеры предоставляют видеоконтент такого качества. Но надежный доступ к такому контенту, могут получить разве что подключенные к оптоволоконному интернету, доступ к которому есть не во всех населенных пунктах.
Требования к пропускной способности сети различных форматов видео
Потребление видеоконтента на широкоформатном телевизоре устанавливает требования к пропускной способности на скачивание. Однако 5G открывает более высокие скорости и на выгрузку. Это откроет двери для внедрения городских систем видеонаблюдения с интеллектуальным распознаванием лиц на всех континентах.
Правительство Шанхая (Китай) пользуется такой системой уже с 2022 года. К ней подключено более 170 млн. «умных» видеокамер. Для примера [2], данная система помогла обнаружить преступника, в 50 тысячной толпе на пути с концерта популярного певца. На концерт он пришел вместе с супругой и, по словам задержанного, тот рассчитывал затеряться в толпе.
На практике такие системы приносят городу не только экономию средств на обеспечении безопасности и оперативно-розыскных мероприятиях, но и порождают положительный социально-экономический эффект — граждане и туристы не боятся покупать дорогие вещи, посещают публичные места в любое время дня, а бизнес не опасается за сохранность клиентов и имущество, теперь это задача города.
С появлением 5G данная система лишь стала более эффективной и менее затратной при развертывании и обслуживании, а значит — доступнее.
Работа интеллектуальной системы распознавания лиц по потоковому видео с уличных камер
Принцип работы антенны
MiMO означает использование сразу нескольких передатчиков и приемников. Это два сигнала: один вертикально поляризован (3G, GSM, LTE), другой – горизонтально (LTE).
Это основные элементы антенны. Если сравнить антенные элементы телефона и усилителя, то в мобильном телефоне элементы со спичечную головку. В усилителе квадрат разбросан на 40 см.
Внутренняя начинка антенны Street 2 PRO на печатных платах. Одни дипольные отражатели горизонтально поляризованые, другие – вертикально поляризованные. Четыре полуволновых диполя составляют антенную решетку. От них идут пигтейлы в модем, на переходник, модемные входы
Встроенная в усилитель антенна работает по принципу роутера, который имеет несколько антенн и поддерживает стандарты 2,4 ГГц.
Немного теории на схеме: составляющие умной антенны
Перейдем к самой антенне и технологии MiMO.
Это усилитель сотовой связи, который работает в режиме 4G. Сейчас я говорю об усилителе интернет-сигнала STREET 2 PRO. Производитель – Россия, компания YS-system. Как утверждает производитель, усилитель предназначен для подключения к сети Интернет там, где полностью или частично отсутствует покрытие сети мобильного провайдера.
Она отличается от более дорогого варианта направленным действием до 15-17 км.
Второй вариант – STREET ULTRA PRO. Она всенаправленная, ее отличие в радиусе действия, то есть она собирает весь шум. Кстати, в городских условиях ULTRA только ухудшает сигнал. В условиях города более полезна точка доступа или комплект антенн для усиления связи.
Оба варианта используют модем Huawei в связке с роутером Mikrotik. Насколько я узнал, производители работают над платами российского производителя. Отличие антенн – в размере корпуса. От корпуса зависит размер антенных элементов, которые находятся внутри и обеспечивают обход препятствий, устраняют зависание сигнала и прочее.
Про «дыхание» сот в 3g
Известный феномен, когда с увеличением нагрузки на сеть 3G размеры сот (площадь покрытия) уменьшаются. Вспомнился рассказ Ирвина Джекобса (Irwin M. Jacobs), тогдашнего председателя совета директоров Qualcomm. Познакомился с ним в Челябинске в далеком 1996 или 1997 году, точно не помню.
Тогда Ирвин приезжал на первый в России запуск сети CDMA (is95) на оборудовании Qualcomm. Увлечённый, талантливый человек и отличный рассказчик, за пять минут «на пальцах» объяснил основные принципы стандартов сотовой связи, в которой я тогда очень мало чего понимал. Попробую изложить по памяти.
Если говорить об аналоговой сети, например, AMPS, то можно представить себе фрагмент сети как зал (принадлежащая оператору полоса частот), поделённый перегородками на комнаты. Двое заходят и общаются, разговор закончили — выходят и освобождают комнату для следующей пары. Если свободных комнат не оказалось, то желающие поговорить ждут снаружи.
В цифровой сети GSM/TDMA всё иначе. Самих комнаток больше, и в каждую комнату запускают сразу несколько пар собеседников, которые общаются по очереди. Например, первой паре «принадлежат» первые 10 секунд каждой минуты, третьей паре — интервал с 21-й по 30-ю секунды каждой минуты и так далее (временнОе разделение каналов). Качество общения хуже, зато не собираются толпы ожидающих перед закрытыми дверями.
В цифровой сети CDMA устроено интереснее. Сносим все перегородки и запускаем собеседников в общий зал. Фокус в том, что каждая пара разговаривает на своём языке, который все остальные не знают (кодовое разделение). Слышат-то всех, но языки чужие, и для разговаривающей пары это фоновый шум.
Однако если одновременно разговаривающих становится много, то собеседники на разных концах зала перестают друг друга слышать, шум начинает мешать. Чем больше одновременно разговаривающих, тем меньше площадь зала, в пределах которой пары могут общаться.
Очень, очень примитивизированная идея, но с того разговора в Челябинске для меня понятия «временнОе разделение» и «кодовое разделение» перестали быть абстрактными и непонятными терминами. А челябинская сеть CDMA, кажется, была первой сетью этого стандарта в стране, хоть и насчитывала всего две базовые станции и сколько-то тысяч стационарных телефонов, которые этими станциями обслуживались.
Времена меняются, каждый оператор строит комбинированные сети, где оборудование разных поколений работает бок о бок, предоставляя нам с вами качественную связь. Надеюсь, после этого ликбеза у вас возникло понимание того, как устроена связь и почему важно, чтобы оператор поддерживал не только самые последние стандарты, но и «старые», а также имел большой частотный спектр. От этого зависит то, где и как вы сможете говорить по телефону.
И последнее, о чем надо сказать. Качество покрытия сети зависит не только от плотности установки базовых станций и их стандарта, но и от того, как они управляются, какими каналами связи они соединены, сколько абонентов есть на сети. В следующем материале мы затронем эти вопросы и рассмотрим их подробно.
Прогноз покрытия сетей 5g и «последняя миля»
Из сценариев развертывания сетей 5G и применяемых частотных полос следует логика распределения частотных полос под разные сценарии, как показано в таблице 3. Этой концепции подчиняется, технология Network Slicing определенная спецификацией 3GPP; она позволит операторам сотовой связи разворачивать изолированные друг от друга сети, каждую из них можно будет выделять под определенные нужды (для Интернета вещей, трансляция потокового видео и проч.).
Учитывая целесообразность указанных сценариев в мегаполисах, малых городах и поселках, можно составить обобщенную схему покрытия сетями как на рисунке 34. Как известно, в мире от сетей 3G либо уже отказались, либо уже заявили о планах на их отключение.
) при сохранении 2G для голосового трафика. Покрытие в пригороде будет отличаться более высокими скоростями и низкими задержками, а мегаполисы, кроме того, смогут похвастаться большим числом подключений и сверхскоростным интернетом в местах покрытия частотного диапазона FR2.
Обобщенная схема покрытия сетями 2G, LTE и 5G до 2025 года
Отдельно надо сказать, что такое распределение сетей породит резкий рост рынка FWA (Fixed Wireless Access, см.ниже). Производители CPE (Customer Premises Equipment, настенное или внутридомовое телекоммуникационное оборудование, расположенное в помещении абонента) смогут обеспечить высокоскоростным интернетом жителей территорий, куда высокоскоростное и надежное покрытие 5G по каким-то причинам «не дошло».
Обычно в такие места приходят провайдеры проводного и оптоволоконного интернета. Но 5G FWA создаст серьезную угрозу этому сектору бизнеса. Ведь с 5G у FWA качество широкополосного интернета не уступит оптоволоконному интернету, а стоимость подключения и вовсе будет вне конкуренции, поскольку исключаются подведение оптоволокна/кабеля, монтажные работы и настройка у каждого абонента в отдельности. Установка CPE также проста как установка Wi-Fi роутера и почти не требует обслуживания.
FWA и проводные/оптоволоконные подключения на «последней миле»
CPE внутри дома (Indoor CPE) и настенный (Outdoor CPE)
Путь от lte к 5g
Как было сказано, текущие сети 4G не выдерживают требований, выдвигаемых новыми сценариями применения. Кроме плотности подключений, пропускной способности радиочасти и проч., задержки в сетях 4G довольно велики. Задержки складываются из задержек в радиочасти и в инфраструктурной части и сегодня они составляют десятки миллисекунд.
В долгосрочной перспективе, для полноценных 5G сетей, в том числе и для поддержки Network Slicing и URLLC, потребуется как новая сетевая инфраструктура NGCN (Next Generation Converged Network), так и модернизация сети радиодоступа. Ясно, что провернуть такой объем работ разом невозможно.
Задержки в сети 4G
Консорциум 3GPP изначально учел сложность развертывания новых сетей и принял на вооружение сценарии перехода от стандартной конфигурации LTE сетей (#1) к 5G. Внедрение 5G предлагается сначала проводить поверх существующей инфраструктуры LTE EPC в режиме NSA (Non-Standalone, #3), как это делали операторы сотовой связи весь 2022 год.
В такой конфигурации задержки на радиочасти сократятся, но виду ограничений LTE ядра EPC, общий показатель задержки будет далек от требований URLLC. Главный смысл такой конфигурации в другом — в радиочасти мы получим значительное повышение пропускной способности достаточных для большинства существующих приложений eMBB, а также стабильность соединения при большом количестве подключившихся абонентов на одну базовую станцию.
Сценарии построения сети 5G начального и промежуточного периодов
Начальная модель NSA (#3) направлена на улучшение качества мобильного широкополосного интернета для повышения надёжности и объёма передаваемых данных путём использования подключения в режиме EN-DC (E-UTRAN New Radio — Dual Connectivity).
Пользовательские терминалы, поддерживающие EN-DC, могут одновременно подключаться к базовым станциям LTE и 5G, при этом базовая станция LTE является якорной (требуется модернизация до ng-eNb, или new generation eNB). Пользовательский терминал (UE) изначально регистрируется в сети через E-UTRAN на низких частотах (<2 ГГц) и начинает транслировать в сеть результаты измерений, выполняемых на сети радиодоступа 5G-NR.
При удовлетворительном «качестве радиосигнала» 5G базовая станция LTE ng-eNb инициирует запрос к базовой станции 5G gNB на выделение UE сетевых ресурсов. По завершении процедуры UE подключается одновременно к базовым станциям LTE ng-eNB и 5G gNB. Конечно, зона охвата базовой станции 5G будет значительно уже LTE, т.к. высокочастотный сигнал миллиметрового диапазона имеет больший коэффициент затухания.
Подключение UE к LTE ng-eNB и 5G gNB в режиме EN-DC
Далее, посредством комбинированных базовых станций LTE 5G-NR можно осуществить расширение зоны покрытия 5G за счет применения технологии DSS (Dynamic Spectrum Sharing, динамическое разделение спектра), когда нижний диапазон частот E-UTRAN (<2 ГГц) делится динамически с 5G-NR. До внедрения операторами ядра 5G сети смогут работать вот таким образом.
Расширение зоны покрытия 5G за счет низких частот LTE (DSS)
Далее от этапа #3, когда операторы сотовой связи интегрируют ядро 5G NGCN, они могут переходить к целевому и финальному режиму SA (опции #2 и #5), когда используется одна технология радиодоступа – либо E-UTRAN, либо 5G-NR. Ниже представлен финальный вид сети 5G, способной предоставлять услуги URLLC.
Финальный вид сети 5G
Для удовлетворения растущей потребности eMBB можно задействовать средние частоты (2 ГГц-7 ГГц), увеличив таким образом скорости передачи данных, в том числе и за счет агрегации частот. Ниже частота – больше покрытие, но и меньше ширина канала. Однако есть способ увеличить покрытие сохраняя высокую скорость выгрузки при помощи дополнительного канала линии вверх (SUL, Supplementary Uplink).
Как это работает? На рисунке ниже показано, как «парному» (UL/DL) радиоресурсу из средних частот для UE назначается дополнительный непарный канал линии «вверх» (SUL) из низких частот. Тогда в одной соте UE получает 1xDL (средние частоты) и 2xUL (низкие и средние частоты) канала, использование которых будет контролироваться сетью.
В этом случае, на границе соты в DL-канале используется среднечастотный сигнал с повышенной мощностью из «парного» диапазона, а в UL-канале – низкочастотный сигнал в непарном SUL диапазоне. В итоге базовая станция «видит» UE на более дальних расстояниях, а скорость скачивания сохраняется как с применением средних частот.
Расширение зоны покрытия средних частот за счет непарного канала
Радиодиапазон
До сих пор мы говорили о беспроводной передаче данных в отрыве от реальных частот. Теперь разберемся с радиодиапазоном. С точки зрения физики границы этого диапазона условны — к нему относятся электромагнитные волны с частотой от нескольких герц до десятков гигагерц.
Рис. 8. Положение радиодиапазона на шкале ЭМИ
В зависимости от частоты, электромагнитные волны по-разному рассеиваются и отражаются препятствиями. С учетом этого внутри упомянутого отрезка частот выделены диапазоны под различные нужды: радио, телевидение, военные и гражданские фиксированные службы, авиация, морское сообщение и т.п.
К примеру, для связи с подводным флотом используются волны, способные проникать в глубь воды (длина волны — десятки километров, глубина проникновения — порядка десятков метров), а для космической связи выбран диапазон миллиметровых волн, проникающих через ионосферу Земли.
Упомянутые поддиапазоны сначала «резервировались» под определенные задачи инженерами, а затем их выделенный статус подтверждался международными соглашениями, учитывающими возможность распространения тех или иных сигналов за пределы географических границ (трансграничное согласование частотных присвоений — это тема отдельного долгого разговора).
Рис. 9. Радиодиапазон
С частью радиодиапазона рядовой пользователь не сталкивается ни разу в жизни, но есть определенные частоты, которыми он пользуется чуть ли не ежедневно, например:
- радиодиапазон, закрепленный за FM-станциями (FM — отсылка к частотной модуляции, принятой в диапазоне) — 87,5 — 108,0 МГц;
- «гражданский» или Си-Би (Citizen`s Band) диапазон 27 МГц (26,965—27,405 МГц) — известен радиолюбителям; диапазон активно использовался автомобилистами до повсеместного распространения мобильных телефонов;
- LPD — диапазон для маломощной пользовательской радиосвязи, в частности, пультов сигнализации, радионянь и прочих применений (тут выделено целых 3 диапазона: 403 — 410 МГц, 417 — 422 МГц и 433 — 447 МГц);
- эфирное телевидение (49,75 — 56,25 МГц для 1 частотного канала и т.п.);
- мобильная связь стандарта GSM, в частности, 890 — 915/935 — 960 МГц для GSM-900; 1710 — 1785/1805 — 1880 МГц для GSM-1800 (в других странах используются также GSM-450, GSM-850 и GSM-1900);
- 3G (UMTS: 1885 МГц — 2025 МГц для uplink и 2110 МГц — 2200 МГц для downlink);
- спутниковое телевидение (Ku-диапазон — 12-18 ГГц).
При выделении диапазона под определенные нужды оговаривается не только частота, но и другие параметры сигнала. Это необходимо, чтобы устройства, работающие в этом и соседних диапазонах, не мешали друг другу.
Состояние сетей 5g в мире и в россии
Процесс внедрения сетей 5G в коммерческую эксплуатацию начался уже с 2022 года, правда, пока покрытие таких сетей весьма скромное. На начало 2020 года, сети 5G запущены в эксплуатацию у 47 операторов в 22 странах мира, а вместе с теми, кто запланировал запуск или ведет тестирование будет 279 операторов в 109 странах.
Количество базовых станций 5G-NR в коммерческом обращении [3]
Коммерческие, запланированные и пилотные сети 5G
Что касается абонентского оборудования, то в продаже уже имеется множество моделей 5G смартфонов, роутеров и CPE.
Модели 5G-смартфонов
Первые пользователи уже оценили значительный рост скорости передачи в режиме 5G. Результаты тестов Qualcomm (май 2022) показывают повышение скорости скачивания у 5G устройств по сравнению с LTE устройствами в 3.3 раза. В будущем этот показатель будет выше за счет более плотного покрытия и перехода от LTE EPC ядра к пакетному 5G ядру сети.
В России «большая четверка» операторов в период с августа по сентябрь 2022 года уже провели первые тесты и запуск пилотных сегментов 5G сетей. По результатам тестов на данном этапе задержки в сети в движении вышли менее 10 мсек, а скорости достигали 2 Гбит/Сек на скачивание.
Тестирование скорости скачивания (1.3 Гбит/сек) на смартфоне Huawei “Mate X” в сети оператора Билайн (Москва)
Тестовые зоны 5G от МТС (режим NSA, применены LTE FDD 1800 МГц из блока FR1 и mmWave в полосе n257)
Согласно российской программе «Цифровая экономика», устойчивое покрытие сети 5G должно быть обеспечено к 2024 году во всех крупных городах с населением от 1 миллиона человек. В настоящий момент модель развития российских сетей 5G до конца не определена.
Проблема, как и в прочих странах, заключается в выборе радиочастотных полос. Операторы считают наиболее привлекательным для 5G диапазон 3,4-3,8 ГГц (n78 и n79), однако он занят другими пользователями, в основном, военными и спецслужбами, и требует работы по высвобождению.
Сравнение выбранных типов усилителей
Читал, что усилители производителей MIKROTIK, ZyXELL одни из самых крутых. Для интереса подобрал еще пару, один из них усилитель российского производства.
Приведу для сравнения характеристики нескольких устройств от разных брендов, схожих по параметрам в, примерно, одинаковой ценовой категории.
Мне было интересно устройство с самой большой зоной приемистости, то есть пригодное для больших расстояний от базовой станции. Еще устройство или как его еще называют репитер с симкой должно быть надежным и отличаться простым монтажом.
Почитал различные отзывы. Получилась такая картина.
Модем Zyxel LTE неплохой. Особенно последние модификации, но все равно встречаются нарекания по поводу глючности. Заявленная дальность всего 5 км, в то время как цена составляет 30 тыс. руб.
Микротик – хороший, позиционирует стандарт Cat.6, но смысла в нем мало, потому что не везде работает агрегация. И дальность до базовой станции всего около 8 км. Отсутствует возможность подключить напрямую в сеть. Питание исключительно PoE, что не всегда это удобно.
Усилитель HiTE PRO UNO, по характеристикам вроде бы не так уж и плох. Настороженность вызвало полное отсутствие отзывов. Может быть не там искал.
Остановился на антенне-усилителе сигнала STREET 2 PRO. На чем-то же надо останавливаться.
Сделано в России. Корпус жесткий поликарбонат. Начинка – роутер и модем от лучших брендов. Технология MiMO. Было интересно узнать про технологию, что это такое.
Главные критерии выбора антенны
Основное, что характерно для антенн:
Технология MiMO, то есть работа в обоих направлениях: как на прием, так и на передачу данных.
Импортные комплектующие.
Надежный литой корпус, который не рассыпается через пару-тройку лет от воздействия солнечного ультрафиолета.
Простой монтаж.
У компании производителя достаточно разных обзоров с описанием, какая антенна хорошая. Плюсов, конечно, множество. Но хотелось узнать суть.
Посмотрел некоторые обзоры, часть интересные, Гоблина прослушал с удовольствием. Но, главное про технологию MiMO.
Устранение замирания каналов
Также усилитель устраняет замирания каналов связи. Что это такое? Это когда в какой-то момент времени клиент не получил информацию, либо получил ее в очень искаженном и в очень слабом виде. Клиент не понимает, что с ней делать. То есть он ждет канал связи, а он замер.
Тестирование антенны в программе, установленной на смартфон Network Cell Info Lite
В свою очередь в условиях города Street 2 Pro – лучший вариант. Даже в условиях абсолютно плохой сотовой связи, при ручном поиске сети, можно обнаружить 2G-сети всех действующих в городе операторов, а также 3G-сети МТС, Yota и Tele2. Можно подключиться к Yota 3G и найти 3G-сеть Билайна и 4G-сеть МТС.
Объяснить это можно тем, что поток от сигнала, полученный антенной от базовой станции и переданный клиенту, идет равномерно, без переспросов, с минимальным количеством ошибок. Поэтому, когда усилитель вышел на определенную скорость передачи данных, он уже отследил, с какими параметрами надо передавать сигнал клиенту, устройство автоматически выставляет параметры и в дальнейшем работает с ними.
Тестирование скорости в условиях удаленного доступа. Это тест на прием, 5 – 6 Мбит/с
Тест на отдачу, скорость – 12 Мбит/с
Таким образом, если сигнал изначально ловится, то усилитель вытворяет невозможное: 5 – 7 Мбит/с превращает в стабильные 20 – 30 Мбит/с.