Sterowniki 5G

Jesteśmy świadkami gwałtownego wzrostu ilości ruchu w sieciach mobilnych. Według indeksu sieci wizualnych Cisco, ruch danych mobilnych podwoił się w latach 2010-2011; ekstrapolacja tego trendu na resztę dekady pokazuje, że globalny ruch mobilny wzrośnie 1000-krotnie w latach 2010-2020. Gwałtowny wzrost ruchu mobilnego wynika przede wszystkim z rozprzestrzeniania się urządzeń mobilnych i przyspieszonego wdrażania głodnych danych urządzeń mobilnych - zwłaszcza smartfonów . Oprócz rosnącej popularności tych zaawansowanych urządzeń mobilnych, kolejnym ważnym czynnikiem związanym z ogromnym wzrostem ruchu mobilnego jest rosnące zapotrzebowanie na zaawansowane aplikacje multimedialne, takie jak Ultra-High Definition (UHD) i wideo 3D. jako rzeczywistość rozszerzoną i wciągające doświadczenie. Obecnie mobilne wideo stanowi ponad 50% globalnego ruchu danych mobilnych, który ma wzrosnąć do dwóch trzecich do 2020 r. Wreszcie, sieci społecznościowe stały się ważne dla użytkowników mobilnych, wprowadzając nowe zachowania konsumpcyjne i znaczną ilość danych mobilnych. Tempo wzrostu ruchu danych mobilnych jest znacznie wyższe niż odpowiednika głosu. Globalny ruch głosowy w telefonii komórkowej został w 2009 r. wyprzedzony przez telefon komórkowy. Przewiduje się, że ruch Voice over IP (VoIP) będzie stanowił zaledwie 0,4% całego ruchu danych mobilnych do 2015 r. W 2013 r. Liczba abonamentów mobilnych osiągnęła 6,8 mld, odpowiadający globalnej penetracji na poziomie 96%. Stale rosnąca globalna stopa abonencka, stymulowana wzrostem liczby ludności na świecie, będzie wymagała nowych potencjalnych sieci 5G, aby zaspokoić potrzeby miliarda nowych klientów. Oprócz 1000-krotnego wzrostu ruchu, rosnąca liczba podłączonych urządzeń stawia kolejne wyzwanie w przyszłej sieci komórkowej. Przewiduje się, że w przyszłym społeczeństwie połączonym wszyscy i wszystko będą ze sobą powiązane - pod parasolem Internetu Wszystkiego (IoE) - gdzie dziesiątki do setek urządzeń będą służyć każdej osobie. Ta nadchodząca infrastruktura komórkowa 5G i jej wsparcie dla Big Data umożliwią miastom bycie inteligentnymi. Dane będą generowane wszędzie przez ludzi i maszyny, i będą analizowane w czasie rzeczywistym, aby wyciągnąć użyteczne informacje, z nawyków i preferencji ludzi na temat stanu ruchu na ulicach i monitorowania zdrowia pacjentów i osób starszych. Komunikacja mobilna odegra kluczową rolę w umożliwieniu wydajnego i bezpiecznego transportu, umożliwiając pojazdom komunikowanie się ze sobą lub z infrastrukturą przydrożną w celu ostrzegania lub nawet pomagania kierowcom w przypadku niewidocznych zagrożeń, torując drogę do autonomicznych samochodów samobieżnych. Ten typ komunikacji maszyna-maszyna (M2M) wymaga bardzo rygorystycznego opóźnienia (poniżej 1 ms), co nakłada kolejne wyzwania na przyszłą sieć. 1000-krotny wzrost ruchu mobilnego wraz z bilionami podłączonych urządzeń popycha system komórkowy do szerokopasmowej, wszechobecnej sieci o ekstremalnej przepustowości i efektywności energetycznej (EE) oraz zróżnicowanej obsługi jakości usług (QoS). Przewiduje się, że system komórkowy nowej generacji będzie pierwszym przykładem prawdziwie konwergentnej sieci przewodowej i bezprzewodowej, zapewniającej użytkownikom mobilnym wrażenia podobne do światłowodów. Ta wszechobecna, ultraszerokopasmowa i ultraszybka infrastruktura bezprzewodowa połączy społeczeństwo i pobudzi przyszłą gospodarkę.

Historyczny trend komunikacji bezprzewodowej ,

Nowa generacja systemu komórkowego pojawia się mniej więcej co 10 lat, a najnowsza generacja (4G) została wprowadzona w 2011 r. Zgodnie z tym trendem, system komórkowy 5G ma zostać wystandaryzowany i wdrożony do wczesnych lat 2020-tych. Oczekuje się, że standaryzacja nowych interfejsów powietrznych dla 5G nabrała tempa po spotkaniu Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego - Sektora Radiokomunikacji (ITU-R) podczas następnej Światowej Konferencji Radiokomunikacji (WRC), która odbyła się w 2015 r. Chociaż wymagania IMT dla 5G nie zostały jeszcze zdefiniowane, powszechny konsensus wśród naukowców i przemysłu jest taki, że w zasadzie powinien on dostarczać wrażenia światłowodowe mobilnego Internetu ze szczytowymi prędkościami do 10 Gbps w warunkach statycznych / niskiej mobilności i 1 Pokrycie w standardzie Gbps dla użytkowników mobilnych i mobilnych (przy prędkościach> 300 km / h). Opóźnienie w czasie podróży najnowocześniejszego systemu 4G (Long-Term Evolution - Advanced; LTE-A) wynosi około 20 ms, co ma zmniejszyć się do mniej niż 1 ms dla 5G.Globalne standardy są podstawowym kamieniem węgielnym w osiąganiu wszechobecnej łączności, zapewniając ogólnoświatową interoperacyjność, umożliwiając harmonizację wielu dostawców i ekonomię skali. ITU-R jest odpowiedzialny za definiowanie specyfikacji IMT dla następnej generacji systemy komórkowe. Po zdefiniowaniu dwóch poprzednich specyfikacji (IMT-2000 dla 3G i IMT-Advanced dla 4G), firma rozpoczęła już działania mające na celu określenie specyfikacji dla 5G, które mają zostać ukończone około 2015 r. ITU-R organizuje WRC co trzy do czterech lat w celu przeglądu i zrewidować przepisy radiowe. Alokacja nowego widma dla komunikacji mobilnej jest już w programie następnego WRC, który odbędzie się w listopadzie 2015 r. Aby zrozumieć, gdzie chcemy być w zakresie 5G, warto docenić, gdzie to wszystko się zaczęło i zaznaczyć, gdzie jesteśmy są teraz. Poniżej przedstawiono mapę drogową ewolucji w kierunku komunikacji 5G:

•  Przed 1G (<1983): Wszystkie połączenia bezprzewodowe były skoncentrowane na głosie i używano systemu analogowego z modulacją pojedynczego pasma (SSB).
•  1G (1983-): cała komunikacja bezprzewodowa była ukierunkowana na głos. W 1966 r. Bell Labs podjęło decyzję o przyjęciu systemów analogowych dla mobilnego systemu o dużej pojemności, ponieważ w tym czasie cyfrowe systemy radiowe były bardzo drogie w produkcji. Został wybrany System analogowy z radiem FM. W 1983 roku amerykański system komórkowy został nazwany AMPS (Advanced Mobile Phone Service). AMPS był wtedy nazywany 1G.
•  2G (1990-): W tym okresie cała komunikacja bezprzewodowa była skoncentrowana na głosie. Europejskie GSM i Pólnocnoamerykańskie IS-54 były systemami cyfrowymi wykorzystującymi multipleksowanie TDMA. Od czasu sprzedaży AT&T w 1980 r. żaden instytut badawczy, taki jak Bell Labs, nie był w stanie opracować wyjątkowego systemu 2G, tak jak w przypadku systemu 1G w Ameryce Północnej. IS-54 nie był pożądanym systemem i został porzucony. Następnie GSM nazwano 2G w czasie, gdy 3G zostało zdefiniowane przez ITU w 1997 roku. Można więc powiedzieć, że przejście z 1G na 2G oznacza migrację z systemu analogowego do systemu cyfrowego.
•  2.5G (1995-): Cała komunikacja bezprzewodowa dotyczy głównie głosu o dużej pojemności z ograniczoną obsługą danych. System CDMA (wielodostęp z podziałem kodowym) wykorzystujący szerokość pasma 1,25 MHz został przyjęty w Stanach Zjednoczonych. Jednocześnie kraje europejskie się wzmocniły Systemy GSM do GPRS i EDGE.
•  3G (1999-): w tej generacji platforma komunikacji bezprzewodowej ma funkcję przesyłania głosu i danych. 3G jest pierwszym międzynarodowym systemem standardowym wydanym przez ITU, w przeciwieństwie do systemów poprzedniej generacji. 3G wykorzystuje technologię WCDMA (dostęp szerokopasmowy z podziałem kodowym) z wykorzystaniem pasma 5 MHz. Działa w trybach dupleksu z podziałem częstotliwości (FDD) i dupleksu z podziałem czasu (TDD). Można zatem powiedzieć, że migracja z systemów 2G do 3G ewoluowała od systemów centrycznych głosowych do systemów zorientowanych na dane.
•  4G (2013-): 4G to system szybkiej transmisji danych i głosu. Istnieją dwa systemy 4G. Stany Zjednoczone opracowały system WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) wykorzystujący multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDM), ewoluując od WiFi. Drugim jest system LTE, który został opracowany po WiMAX. Technologia LTE i technologii WiMAX są bardzo podobne. Szerokość pasma obu systemów wynosi 20 MHz. Główni operatorzy komórkowi są zgodni co do LTE, a większość krajów na świecie już rozpoczęła wydawanie licencji na 4G przy użyciu obecnie opracowanych systemów LTE. Koszt licencji w drodze aukcji jest bardzo wysoki. Można zatem powiedzieć, że migracja z 3G do 4G oznacza przejście z niskich szybkości transmisji danych w Internecie na szybkie przesyłanie danych w przypadku wideo mobilnego.
•  5G (2021-): 5G musi jeszcze zostać oficjalnie zdefiniowany przez organy normalizacyjne. Będzie to system danych o bardzo dużej przepustowości i ultrawysokiej prędkości z nowymi wymaganiami projektowymi dostosowanymi do systemów wywołanych energią i zmniejszonych wydatków operacyjnych dla operatorów. W tym kontekście 5G przewiduje nie tylko jedną wynalezioną technologię, ale także ekosystem technologiczny sieci bezprzewodowych działających w synergii, aby zapewnić płynne medium komunikacyjne dla użytkownika końcowego. Można więc powiedzieć, że przejście z 4G na 5G oznacza przesunięcie paradygmatu projektowania z systemu jednodyscyplinarnego do systemu wielodyscyplinarnego.

Ewolucja technologii LTE poza 4G

Podsumowanie wymagań IMT-Advanced dla 4G jest następujące:
•  Szczytowa szybkość transmisji danych 100 Mbps dla wysokiej mobilności (do 360 km / h) i 1 Gbps dla użytkowników stacjonarnych lub mobilnych.

•  Opóźnienie w płaszczyźnie użytkownika mniejsze niż 10 ms (opóźnienie jednokierunkowe UL / DL (uplink / downlink)).

•  Skalowalna przepustowość do 40 MHz, z możliwością rozszerzenia do 100 MHz.

•  Wydajność widmowa piku łącza w dół (SE) 15 bit / s / Hz.

•  Uplink peak SE 6,75 bit / s / Hz.

Torowanie drogi do 5G pociąga za sobą zarówno ewolucyjny, jak i rewolucyjny projekt systemu. Chociaż zakłócające technologie dostępu radiowego (RAT) są potrzebne, aby zapewnić krok do następnego poziomu wydajności, musimy także poprawić istniejące RAT. W związku z tym musimy jeszcze bardziej udoskonalić system LTE poza 4G (B4G). Po raz pierwszy ukierunkowane na wymagania IMT-Advanced, standard LTE Release (R) -8 nie był w stanie spełnić wymagań w kierunku łącza downlink (chociaż mógł spełnić wszystkie wymagania w kierunku łącza uplink) za pomocą pojedynczego elementu anteny na urządzeniu użytkownika (UE) ) i cztery anteny odbiorcze w Evolved Node B (eNB). Natomiast LTE-A to prawdziwa technologia 4G (spełniająca wszystkie wymagania IMT-Advanced), wymagająca co najmniej dwóch elementów anteny w UE. Jako taki został zaakceptowany jako technologia IMT-Advanced 4G w listopadzie 2010 roku. Rysunek 1.1 ilustruje ewolucję standardu LTE przez 3rd Generation Partnership Project (3GPP) do B4G. Innowacje w tej mapie drogowej obejmują głównie poprawę SE i pojemności obszaru przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów operacyjnych sieci, aby zapewnić stały koszt krańcowy dla operatorów.

Główne cechy różnych wersji LTE

LTE

R-8 : •  Obsługa zarówno dupleksu z podziałem częstotliwości (FDD), jak i dupleksu z podziałem czasu (TDD)

•  Skalowalne widmo częstotliwości w sześciu różnych szerokościach pasma: 1,4, 3, 5, 10, 15 i 20 MHz

•  OFDM

•  Obsługa do czterech warstw multipleksowania przestrzennego z jednym użytkownikiem Multiple-Input Multiple ? Output (SU-MIMO)

•  Osiągnięcie 300 Mb / s w DL i 75 Mb / s na UL

•  Opóźnienie w płaszczyźnie użytkownika mniejsze niż 20 ms

R-9 : •  Funkcja multiemisji i transmisji

LTE-A

R-10 : •  Agregacja nośna w celu wykorzystania szerokości pasma do 100 MHz

•  Obsługa multipleksowania przestrzennego do ośmiu warstw za pomocą SU-MIMO

•  Ulepszone MIMO dla wielu użytkowników (MU)

•  Rozszerzony i bardziej elastyczny sygnał odniesienia

•  Funkcjonalność przekazywania

•  Szczytowa prędkość transmisji powyżej 1 Gb / s w DL i 500 Mb / s na UL

•  Opóźnienie w płaszczyźnie użytkownika mniejsze niż 10 ms

R-11 : •  Transmisja i odbiór w trybie skoordynowanego wielopunktowego (CoMP)

•  Rozszerzona obsługa sieci heterogenicznej (HetNet)

LTE-B

R-12 : •  Wzmocnienie obszaru lokalnego (miękka komórka)

•  •  Lean carrier

•  Poprawa formowania wiązki
v •  Rozszerzona komunikacja typu maszynowego (MTC)

•  3D-MIMO

•  Ulepszony CoMP

•  Ulepszone sieci samoorganizujące się (eSON)

R-13 : •  Udostępnianie sieci radiowej (RAN)