Wprowadzenie

Technologie informacyjne stały się integralną częścią naszego społeczeństwa, wywierając głęboki wpływ społeczno-ekonomiczny i wzbogacając nasze codzienne życie o mnóstwo usług, od rozrywki multimedialnej (np. video) po bardziej wrażliwe i krytyczne dla bezpieczeństwa aplikacje (np. e-handel, e-zdrowie, usługi pierwszej pomocy itp.). Jeśli prognozy analityków są poprawne, niemal każdy obiekt fizyczny, który widzimy (np. ubrania, samochody, pociągi itp.), będzie również podłączony do sieci do końca dekady (Internet Rzeczy). Ponadto, według prognozy Cisco dotyczącej wykorzystania sieci IP (Internet Protocol) , ruch internetowy przekształca się w bardziej dynamiczny wzorzec ruchu. Globalny ruch IP będzie odpowiadał 41 milionom płyt DVD na godzinę w 2017 r., A komunikacja wideo będzie nadal w zakresie od 80 do 90% całkowitego ruchu IP. Ta prognoza rynkowa z pewnością pobudzi wzrost ruchu mobilnego dzięki obecnym prognozom sugerującym 1000-krotny wzrost w następnej dekadzie. Z drugiej strony, zużycie energii stanowi w dzisiejszej sieci kluczowe źródło wydatków dla operatorów, które osiągną alarmujący poziom wraz ze wzrostem ruchu mobilnego, a także czynnik, który powszechnie oczekuje się, że zmniejszy penetrację rynku dla telefonów nowej generacji, ponieważ stać się bardziej wyrafinowanym i głodnym. Te dwa atrybuty w synergii skłoniły operatorów do przemyślenia sposobu projektowania, wdrażania i zarządzania sieciami w celu podjęcia znaczących kroków w kierunku zmniejszenia kapitału i wydatki operacyjne (Capex i Opex) w sieciach komórkowych następnej generacji - co jest ogólnie określane jako 5G, a dokładniej 5G mobile. Aby być gotowym na wyzwanie 5G, kluczowi interesariusze mobilni już przygotowują mapę drogową 5G, która obejmuje szeroką wizję i przewiduje cele projektowe, które obejmują: szybkość transmisji danych 10-100x szczytowej, pojemność sieci 1000x, 10-krotną wydajność energetyczną i 10 -30x niższe opóźnienie torujące drogę do gigabitowej łączności bezprzewodowej. Społeczność naukowców zaczęła rozwijać koncepcję 5G w oparciu o ten jasny zestaw powszechnie akceptowanych celów projektowych. Pojawiają się wczesne ważne scenariusze, w których interesariusze przemysłowi proponują przełomowe pomysły na przeniesienie rynku na bazę klientów i wiedzę specjalistyczną. Wszystkie pomysły są obiecujące i mogą odgrywać pierwszoplanową rolę we wdrażaniu sieci komórkowych 5G, przy czym wiele z tych koncepcji powstało w formie białych ksiąg, międzynarodowych wysiłków badawczych i forów technologicznych. Jednak dotychczasowe prace są fragmentaryczne i brakuje im spójności, w oparciu o ewolucję konkretnych wątków naukowych i technologicznych, takich jak małe komórki, kodowanie sieci, a nawet sieci w chmurze, by wymienić tylko kilka. Metaforycznie, prace te mogą być postrzegane jako elementy układanki 5G, ale bez całościowej perspektywy trudno jest "wyobrazić sobie i zbudować układankę"; bez przyjęcia interdyscyplinarnego podejścia do projektowania jeszcze trudniej "nawet zmieścić dwa elementy". Oczywiste jest, że bez wspólnego poglądu na podstawy 5G skończymy budować system sporadyczny i chaotyczny, zapewniający w najlepszym razie stopniową poprawę. Jakie są podstawy 5G? Cóż, w istocie, jeśli wyjaśnimy szczegóły technologiczne, są to podstawowe elementy składowe lub aksjomaty, na których możemy zbudować ewolucyjne ulepszenia i stanowią najbardziej podstawową platformę do dostarczania nowych usług i aplikacji. Opierając się na systemach 4G, w najbardziej podstawowym sensie, 5G jest ewolucją uważaną za konwergencję usług internetowych ze starszymi standardami sieci komórkowych, prowadzącą do tego, co powszechnie nazywa się "mobilnym Internetem "przez sieci heterogeniczne (HetNets), z szerokopasmowym dostępem do Internetu o bardzo dużej prędkości. Wydaje się, że zielona komunikacja odgrywa kluczową rolę w tej ewolucyjnej ścieżce, a kluczowi interesariusze mobilni dążą do bardziej ekologicznego mobilnego ekosystemu dzięki efektywnym kosztowo podejściom do projektowania. W związku z tym zasadniczo zakres 5G to nie tylko elementy mobilne i bezprzewodowe, ale obejmuje również sieć zasięgu szerokopasmowego; Innymi słowy, Internet będzie również odgrywał kluczową rolę w strukturze ekosystemu technologii 5G. Zrozumienie dzisiejszego Internetu, jego ograniczeń i drogi naprzód, pomoże nam w naszym interdyscyplinarnym projekcie i umieści ogrodzenie wokół przestrzeni rozwiązań mobilnych systemu 5G w oparciu o wymagania i mechanikę sieci nakładkowych. Rzeczywiście, jeśli możemy cofnąć się o krok i zrobić zdjęcie "holistycznego obrazu", jesteśmy w stanie ładnie zaprojektować i ukształtować elementy naszej układanki, tak aby pasowały do siebie bezproblemowo i zaprojektować system, który pierwotnie zamierzaliśmy we właściwym czasie.

Naszym celem jest wykorzystanie bieżących międzynarodowych wysiłków badawczych w tej dziedzinie, aby zapewnić fundamentalną wizję komunikacji mobilnej 5G w oparciu o prąd trendy rynkowe, sprawdzone technologie i europejski plan badań. Robiąc krok w głąb tej wizji, omawiamy dalej najważniejsze czynniki technologiczne, które wydają się być silnymi kandydatami na technologie stanowiące część mobilnych komponentów 5G i które obejmują radio poznawcze, małe komórki, współpracę, bezpieczeństwo, sieci samoorganizujące się (SON) i zielony tryb multi RF (częstotliwość radiowa); lista ta nie jest wyczerpująca, ale są to nieco sprawdzone technologie, które do tej pory cieszyły się dużym zainteresowaniem. Omawiamy nie tylko komponent sieci komórkowej 5G, ale również perspektywę internetową, abyśmy mogli zrozumieć, w jaki sposób mogą działać synergicznie, aby zapewnić łączność końcową dla przyszłych usług 5G. Przechodząc do perspektywy aplikacji i usług, badamy pojęcie Mobile Clouds jako technologii i usługi dla przyszłych platform komunikacyjnych, które wydają się odgrywać coraz ważniejszą rolę pod względem "gorących aplikacji" dla 5G. W rzeczywistości dzielenie się zasobami opartymi na chmurze było świadkiem ogromnego okresu wzrostu i obecnie obejmuje wiele potencjalnych zasobów które mogą być współużytkowane w określonej chmurze lub w połączonych chmurach. Emanacją tego pojęcia jest mobilne przetwarzanie w chmurze, które wprowadza urządzenia mobilne jako usługi dostępu do węzłów w bazach zasobów opartych na chmurze. Ten paradygmat rozwija wiele możliwości dzielenia się zasobami i łącznością, otwierając nowe możliwości biznesowe dla mobilnych interesariuszy. Oprócz usług w chmurze, sieć komórkowa 5G może być postrzegana jako narzędzie dostarczania usług telewizyjnych nowej generacji. W rzeczywistości transmisje telewizyjne i mobilne łącza szerokopasmowe są niewątpliwie istotnymi częściami dzisiejszego społeczeństwa, a oba z nich stoją obecnie przed ogromnymi wyzwaniami, aby sprostać przyszłym wymaganiom. Niezależnie od tego, czy konsumenci używają cyfrowej telewizji satelitarnej lub cyfrowej telewizji naziemnej do odbierania treści telewizyjnych, żadna z tych platform nie spełnia obecnie rosnących wymagań nieliniowych, naprawdę na paradygmacie konsumpcji na żądanie i dlatego poszukuje się rozwiązań hybrydowych obejmujących sieć mobilną, które mogą zapewnić "wygraną" rozwiązanie konwergencji szerokopasmowej (BC-BB) dla 5G, a zatem zasługują na wzmiankę.

Sieci komórkowe przechodzą znaczącą zmianę w ich wdrażaniu i optymalizacji. Nowe elementy infrastruktury, takie jak stacje bazowe femto / pico, przekaźniki stacjonarne / mobilne, radia kognitywne i anteny rozproszone, są masowo wdrażane, dzięki czemu przyszłe systemy i sieci komórkowe 5G stają się bardziej heterogeniczne. W tym powstającym środowisku sieciowym małe komórki mogą odgrywać zasadniczą rolę w udanym wdrożeniu systemów 5G. Jednak w Stanach Zjednoczonych i Korei zatłoczenie ruchu i potrzeba wyższego QoE w gęstych obszarach miejskich doprowadziły do wprowadzenia małych / zewnętrznych ogniw publicznych, co stanowi etap dla zagęszczenia małych komórek na szerokim obszarze zasięgu jako naturalny krok naprzód . Jednak pomimo niedawnej popularności małych ogniw na mniejszą skalę, nie ma dziś ani jednego postępu technologicznego, który mógłby zaspokoić przewidywane zapotrzebowanie na ruch do 2020 r. W rzeczywistości dzisiejsze mapy drogowe przedstawiają różne mieszanki widma (herców), wydajność widmową (bity na herc na komórkę) i małe komórki (komórki na km²) jako odskocznię w kierunku sprostania wyzwaniu 5G. W związku z tym, w miarę migracji w kierunku ery 5G, wraz z postępem w dziedzinie technologii drobnokomórkowych połączonych z dodatkowymi technikami opartymi na zaawansowanych antenach (między innymi mmWave i masywne MIMO (multipleinput multiple-output)) Multiple-Input Multiple-Output - MIMO) i dodatkowe spektrum, możemy potencjalnie uzyskać potencjalne rozwiązanie dla sieci komórkowych 5G. Przy braku jakichkolwiek przełomowych technologii, po osiągnięciu limitów gęstości komórkowej i przy braku dalszego wzrostu poziomów wydajności widmowej, szersze spektrum i bardziej efektywne wykorzystanie dostępnych zasobów i dzielenie się pozostaje drogą do przodu. Poza technologiami bezprzewodowymi czwartej generacji (4G), wprowadzenie sieci heterogenicznych (HetNets) przesuwa zainteresowanie komunikacją krótkiego i średniego zasięgu wewnątrz makrokomórek, motywując dalej koncepcję współpracy węzłów. W tym celu, badamy, w jaki sposób współpraca może odgrywać ważną rolę w sieciach komórkowych 5G w celu zwiększenia niezawodności łączy i promowania efektywności energetycznej. Opieramy naszą koncepcję na koncepcji Decode-and-Forward (DF), tradycyjnej techniceekooperacyjnej, która cieszy się dużym zainteresowaniem, zwłaszcza po powszechnym przyjęciu mechanizmów takich jak automatyczne powtórzenie żądania (ARQ) i kodowanie sieciowe (NC), które są ułatwione dzięki operacji DF. Chociaż DF był szeroko badany w literaturze, rosnąca liczba urządzeń bezprzewodowych, gdy zmierzamy w kierunku 5G, wraz z gęstym środowiskiem miejskim, wywołuje potrzebę warstwy Medium Access Control (MAC), która może wykorzystać podstawowe korzyści współpracy i NC poprzez projektowanie międzywarstwowe, nie zaniedbując wpływu warstwy fizycznej. Przeanalizujemy działanie protokołu ARQ MAC wspomaganego przez NC w skorelowanych warunkach cieniowania, przy użyciu standardu IEEE 802.11 dla potwierdzenia koncepcji. Wykazano, że kodowanie sieci i współpraca indywidualnie poprawiają komunikację i niezawodność łącza prowadząca do efektywnej kosztowo łączności, zarówno pod względem wydajności energetycznej, jak i wydajności widmowej. Te dwa paradygmaty można jednak wykorzystać w synergii, aby otworzyć cały szereg nowych możliwości rynkowych, a jedną z nich, która zyskuje dużo uwagi, są usługi oparte na chmurze, które potencjalnie stanowią podstawę dla 5G i nie tylko. Wraz z niedawną popularnością opartych na chmurze usług udostępniania zasobów, mobilne przetwarzanie w chmurze pojawiło się, wprowadzając urządzenia mobilne jako usługi dostępu do węzłów w pulach zasobów opartych na chmurze. Ta początkowa koncepcja jest szczególnie przydatna do odciążania wymagających obliczeniowo zadań w chmurze. Jednak zważywszy, że urządzenia mobilne uważamy za jedne z głównych czynników przyczyniających się do nowych paradygmatów chmury mobilnej w przyszłości, dostępne możliwości udostępniania zasobów, a także samej łączności jako zasobu, są dość znaczące, otwierając nowe możliwości biznesowe dla interesariusze mobilni. Ta wirtualna pula chmur oferuje możliwości zapewnienia dodatkowych zasobów, które są możliwe tylko w kontekście mobilnym, takich jak łączność bezprzewodowa, czujniki, siłowniki i inne różne funkcje i możliwości. Wreszcie, elementy umożliwiające chmurę omawiają komputery / usługi, koncentrując się na kodowaniu sieci, a także część nie-techniczna, w której użytkownik za każdym urządzeniem staje się częścią współpracy. Oczekuje się, że w związku z popytem konsumentów na zdumiewający 1000-krotny wzrost ruchu danych w tej dekadzie. Stwarza to podstawę dla umożliwienia technologii 5G, która zapewnia szybką i efektywną kosztowo łączność danych, przy jednoczesnej minimalizacji kosztów wdrożenia. Pomimo sukcesu małych ogniw i MIMO w systemach 4G, te w synergii nie są wystarczająco zaawansowane, aby sprostać przewidywanemu zapotrzebowaniu na ruch. Przyszłość zmierza w kierunku zagregowanej kombinacji widma, wydajności widmowej i małych komórek, aby działać w synergii, aby osiągnąć zamierzone zyski. Jednakże, jak możemy efektywniej wykorzystywać dotychczasowe spektrum, a także wprowadzać nowe źródła widma, aby zaspokoić dodatkowe potrzeby i scenariusze ruchu, zasługuje na uwagę; szczególnie, że doświadczamy epoki, w której zasoby widmowe są na wagę złota. Szereg technologii i zidentyfikowanych technik umożliwia wykorzystanie czystych i nowych możliwości widma w sieci bezprzewodowej 5G pod parasolem radia kognitywnego (CR) . Nadawanie programów telewizyjnych i mobilna łączność szerokopasmowa są coraz częściej postrzegane wspólnie w projektowaniu systemów następnej generacji. W rzeczywistości obaj dostawcy usług stoją dziś przed ogromnymi wyzwaniami, aby sprostać przyszłym wymaganiom. W Wielkiej Brytanii, Niemczech, Irlandii i Polsce. Cyfrowa platforma satelitarna jest największą platformą telewizyjną. Niezależnie jednak od tego, czy konsumenci korzystają z cyfrowej telewizji satelitarnej lub cyfrowej telewizji cyfrowej do odbierania treści telewizyjnych, żadna z tych platform nie spełnia obecnie rosnącego, nieliniowego, prawdziwie na żądanie modelu konsumpcji. Zarówno infrastruktura telewizji cyfrowej (DTV), jak i wysokiej mocy telewizji satelitarnej o dużej mocy zostały zaprojektowane z myślą o architekturze typu "jeden do wielu" z ograniczonym zakresem kanałów zwrotnych i harmonogramem kontrolowanym przez użytkownika, zwłaszcza w sytuacjach mobilnych i przenośnych. Rozważa się podejście hybrydowe, w tym mobilne łącza szerokopasmowe, zapewniające (ultra) wysokiej jakości wideo w sposób dynamiczny i interaktywny. Wymaga to wydajnego rozwiązania dla konwergentnej usługi transmisji szerokopasmowej i mobilnej. W pierwszej kolejności podkreślamy aktualne wyzwania stojące przed branżą nadawczą i mobilną dostarczające usługi telewizyjne nowej generacji, a następnie przedstawią przegląd potencjalnych architektur, które mogłyby zostać przyjęte w celu zapewnienia jednolitego rozwiązania konwergencji Broadcast-Broadband (BC-BB) dla 5G: obejmują one podejście czysto-łupkowe w oparciu o całą architekturę szerokopasmową, hybrydową i wspólny system konwergentny. Na koniec proponujemy ogólny plan pracy, który należy wdrożyć, aby uzyskać "konwergentne" rozwiązanie BC ? BB dla Europy. Komunikacja 5G ma na celu zapewnienie szerokiego pasma danych, nieskończonej możliwości pracy w sieci i szerokiego zasięgu sygnału w celu obsługi bogatej gamy spersonalizowanych wysokiej jakości usługi dla użytkowników końcowych. W tym celu komunikacja 5G zintegruje wiele istniejących zaawansowanych technologii z innowacyjnymi nowymi technikami. Jednak sukces 5G będzie zależał również od tego, czy użytkownicy końcowi mogą zwierzyć się tej nowej potężnej bestii komunikacyjnej, innymi słowy, czy będziesz w stanie zaufać technologii 5G. Wiele przyszłych aplikacji i scenariuszy będzie polegać na rozstaniu użytkownika końcowego z poufnymi informacjami o sobie, które zostaną pobrane, przesłane i przetworzone przez nadchodzące systemy 5G. Dlatego bezpieczeństwo 5G ma ogromne znaczenie i będzie wymagało inwestycji badawczych w środki zapobiegawcze przeciwko cyberprzestępczości, które obejmują między innymi ataki typu "odmowa usługi", ataki manipulacyjne i ataki podsłuchowe. SON (Self-Organizing Networks) został pierwotnie pomyślany jako zestaw wbudowanych funkcji zapewniających, że 3GPP Release 8-LTE można było dostarczyć w opłacalny sposób pod względem wdrażania, obsługi i konserwacji. Innymi słowy, system LTE został zaprojektowany z zestawem funkcji "samoorganizujących się", dzięki czemu powstała sieć wymagała minimalnej interwencji człowieka, aby zminimalizować wydatki operacyjne. Co więcej, rosnąca złożoność LTE w stosunku do LTE-A i konieczność współistnienia z już złożonym ekosystemem systemów radiowych obsługiwanych przez różnych operatorów, promują potrzebę SON do bardziej znaczących poziomów. Wraz z pojawieniem się 5G przewidujących pojawiające się scenariusze, które obejmują bogate środowisko sieciowe dużych i małych komórek stanowiących różne złożoności, objętość i konfiguracje, jasne jest, że "SON jest nie tylko przyjemne mieć na pokładzie", ale będzie obowiązkową opcją, która jest wymagane, aby dynamicznie wyczuwać, oceniać i dostosowywać sieć w miarę jej rozwoju, aby zapewnić bezkresne, nieograniczone doświadczenie kierowane przez 5G w sposób autonomiczny . . Dziedzictwo, które SON zaszczepił, stanowi podstawę naszej dyskusji na temat możliwości SON dla sieci komórkowych 5G. Oprócz propagowania funkcji, które SON zdefiniował już w starszych sieciach w kierunku 5G i włączania nowych funkcji do sterowania nowymi funkcjami 5G RAN (Radio Access Network), istnieją architektoniczne problemy SON, które wymagają szczególnej uwagi i które są tutaj omówione. Oczekuje się, że sieci komórkowe 5G zapewnią wsparcie dla wszechobecnej mobilności, symetrycznej i asymetrycznej transmisji danych, łączności szerokopasmowej w dowolnym momencie, w dowolnym miejscu na dowolnym urządzeniu, ale w dużej mierze kosztem zużycia energii. W rzeczywistości zmniejszone zużycie energii - czyli innymi słowy, efektywność energetyczna - będzie miało ogromne znaczenie, ponieważ przyszłe telefony będą coraz bardziej głodne energii, co doprowadzi do gorących urządzeń o skróconej żywotności baterii, co wpłynie na ewentualne wprowadzenie na rynek nowych tak zwanych "5G" i-telefon ". W związku z tym istnieje potrzeba zarówno w infrastrukturze, jak i poza nią, w terminalach użytkowników, przyjęcia bardziej holistycznego podejścia do projektowania w celu wykorzystania zysku energetycznego z różnych składników ekosystemu technologii 5G. Te telefony, lub bardziej prawdopodobne "urządzenia" słuchawki, będą energooszczędnymi, wielostanowiskowymi nadajnikami-odbiornikami radiowymi, ze wspólną funkcjonalnością pasma podstawowego obsługującą kilka standardów, a wszystkie tryby radiowe są zintegrowane w zredukowanym zestawie układów.