Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 03-04 2017
Юлия ВОЛКОВА  25 апреля 2017

5G-коктейль частот и технологий

Радиочастотный ресурс для мобильной связи действующих и вышедших из употребления стандартов и поколений – задача из разряда «вечных». Какие рецепты подойдут для коктейля 5G?

Юлия ВОЛКОВА

Мы оглядываемся назад, анализируем пройденное и пытаемся заглянуть в будущее. В отличие от историков, которые сравнивают события сегодняшние и перипетии столетней давности, мы ограничиваем нашу ретроспективу примерно тремя десятилетиями. Примерно в то время всерьез заговорили о первом поколении сотовой связи, которое первым еще не называлось. Отсчет поколений пошел чуть позже. А вот проблемы с частотами начались сразу же.

На шкале частот и поколений

Кто сегодня вспомнит, ценой каких боев и потерь, бесчисленного множества исследований и совещаний, тонн отчетов о научных работах и полевых экспериментах далось выделение частот для первого поколения в диапазонах 450 (NMT) и 800 МГц (AMPS), затем для второго – 900 и 1800 МГц (GSM)? На то, чтобы хоть как-то обеспечить частотами третье поколение (2 ГГц), потребовалось чуть более 10 лет. А вопросы о том, поселится четвертое поколение LTE в новом участке таблицы частот (694–862 МГц, 2500–2700 МГц) или вытеснит действующие системы, захватив выделенные им ранее полосы, все еще находятся в стадии активного поиска приемлемого решения. Словом, «если бы директором был я...», то мысли о частотах для пятого поколения не давали бы мне спать уже не первый год.

Кое-кто еще помнит первое поколение (1G), хотя большинство уже сосредоточено лишь на текущем четвертом. Но этот этап нельзя было перескочить. За прошедшие годы мы научились делать системы лучше, устройства – миниатюрнее, передавать данные быстрее. Заодно улучшались и другие параметры связи – мощность передатчиков, охват зоны покрытия, энергопотребление, пользовательский опыт и, конечно же, спектральная эффективность. Появление технологических решений, легших в основу 4G, стало возможным лишь благодаря непрерывному развитию микроэлектроники и возникновению новых технологий обработки сигналов, применяемых в различных сегментах архитектуры системы связи. И вот сегодня мы снова живем в эпоху перемен, в момент осознания и концептуализации нового – пятого – поколения связи.

Пятое поколение как переворот сознания

Прочтите еще раз название статьи и поймете, чем отличается новое поколение связи от своих прародителей. Вспомните, что, говоря о любом из предыдущих поколений, мы всегда могли однозначно назвать доминирующую технологию. В первом поколении использовался многостанционный доступ с частотным (FDMA) разделением каналов, во втором поколении – с временным (TDMA), в третьем – с кодовым (CDMA), в четвертом – с ортогональным частотным (OFDMA). Все было относительно просто и понятно. Однако в спецификациях пятого поколения радиосвязи до сих пор нет столь же четко прописанной доминирующей технологии, как нет и определенных указаний на потребные для ее работы полосы частот. Именно поэтому писать о том, как будут завтра задействоваться диапазоны «устаревших» стандартов, оказывается не так просто, как хотелось бы.

Начать следует с анализа того, что делается по этому поводу, чем озабочены разработчики и ученые, частотники и стандартизаторы. Не буду утомлять читателя скучными выкладками, поделюсь лишь довольно неожиданными выводами. По всей видимости, через несколько лет сети связи будут опираться на некую смесь технологий, каждая из которых, как предполагается, будет удовлетворять те или иные потребности пользователей. Сам перечень технологий, которые перенесут нас в «светлое завтра», пока не уточнен, но критерии отбора названы. Это высокая скорость передачи данных, низкое энергопотребление, малое время задержки и способность работы с разнородными устройствами в широком многообразии сетей.

Центростремительная сила нереализованных идей

Помните модель технологического «зонтика», под которым должны быть сосредоточены потоки данных самого разного назначения, а наш терминал должен быть способен выбирать из этого микса нулей и единиц нужные ему в данный момент информационные пакеты? Ее пытались продвигать еще во время всеобщей эйфории по поводу IMT-2000. Похоже, именно эту концепцию и пытаются воплотить идеологи нового поколения связи, проектируя интегрированную систему, объединяющую сразу несколько разных стандартов.

Аналогичная ситуация с диапазонами частот. Стандарты и системы связи, которые появятся уже завтра, вряд ли получат названия, напоминающие привычные нам IMT-450 или GSM-900, где цифры указывают задействованные в стандарте частотные диапазоны. Новые многочастотные решения являются одновременно и новыми вызовами для тех, кто регулирует использование спектра. Далеко не все и не везде к таким вызовам готовы. И дело тут не только и не столько в том, что спектра надо больше. Его нужно научиться использовать иначе. Но как?

Когда потребности определяют подходы

Мы давно не удивляемся тому, с какой феноменальной скоростью растет популярность мобильных широкополосных сервисов. Многие исследователи утверждают, что объемы мобильного трафика ежегодно удваиваются, возводя в квадрат сложности, с которыми сталкиваются операторы связи.

Решением проблемы трафика занимаются производители оборудования и ученые, создатели программного обеспечения и системные аналитики, международные чиновники и национальные регуляторы. Все это сообщество, которое принято называть телекоммуникационным, пытается создать систему беспроводной связи следующего поколения. В некоторых публикациях можно прочитать, что поколение 5G сможет предложить потребителям скорости передачи данных в тысячу раз больше сегодняшних и значительно меньшую задержку по сравнению с системой 4G. Такая амбициозная цель не родилась из ничего, она опирается на идеи системообразующих технологий.

Среди известных решений, которые могли бы отвечать указанным требованиям к новому поколению связи, можно выделить сверхуплотнение сотовых систем, системы MIMO, адаптивное трехмерное (3D) диаграммообразование в антеннах, динамический доступ к ресурсам спектра и усовершенствованные схемы многостанционного доступа. Кроме того, разработчики стремятся применять решения на базе когнитивного радио и программно конфигурируемых сетей. Не менее важными «кирпичиками» систем 5G считаются интернет вещей (IoT), интеллектуальное кэширование, облачные вычисления и «большие данные». Не забыты и сети Wi-Fi advanced, возможности совместного использования инфраструктуры и различные способы интеграции разнородных сетей. Как предполагают идеологи системы, пятое поколение должно объединить на единой платформе и существующие сотовые сети подвижной связи, и фиксированные каналы телефонной связи общего пользования, и решения обмена данными по линиям электропередач, и спутниковые сети, и каналы межмашинных коммуникаций, и элементы нательных сетей. Да и экзотическая пока идея о связи между транспортными средствами также должна дополнить собой наш беспроводной мир.

В тесноте, да не в обиде

Один из потенциальных способов удовлетворить комплексные требования систем связи 5G – максимальное уплотнение сетей (ultra-densification) путем массового развертывания небольших сот различных типов, работающих как в операторских сетях, так и в виде точек доступа Wi-Fi, не требующих специальных разрешений. Такой подход к уплотнению системы, уже принятый в целом ряде существующих сетей мобильной связи, по существу приводит нас к многоуровневой гетерогенной сети (HetNet).

Для того чтобы такая сеть могла успешно работать, требуется создать действенные алгоритмы распределения ресурсов, позволяющие максимально эффективно использовать радиоресурсы сети, к которым мы относим не только диапазон частот и полосу пропускания, но и мощность передатчика, усиление и диаграмму направленности антенны. Задача такого алгоритма – гарантировать отсутствие неприемлемых взаимных помех, как между базовыми станциями, так и между пользователями, обеспечивая им удовлетворительное качество обслуживания.

Второй аспект, также требующий глубокого изучения, – проектирование и развертывание надежных транспортных сетей, которые могли бы гарантировать эффективное управление ресурсами и обеспечить координацию текущих параметров излучения сети с практическими ограничениями по энергетике и использованию частот.

Курс на Wireless Fidelity

Сегодня по сети путешествуют огромные объемы данных, генерируемые гаджетами абонентов в результате просмотра видео, участия в онлайн-играх, активности в социальных медиа и т.п. Объемы эти будут только увеличиваться. Современные сотовые сети уже с трудом справляются с ростом трафика. Эта проблема с каждым днем становится все более взрывоопасной, главным образом потому, что ее невозможно решить только путем беспрестанной модернизации существующих сетей.

Учитывая все сказанное выше, вполне перспективными кандидатами для удовлетворения требований по скорости и объемам передачи данных в сетях следующего поколения представляются сети Wi-Fi advanced. Косвенным подтверждением актуальности такого подхода могут служить, например, выводы ряда исследований. Они показывают, что почти 3/4 всего сегодняшнего мобильного трафика передается и принимается в стенах зданий. Более того, большинство перегрузок фиксируется именно во внутренних помещениях городских построек, и для преодоления этих проблем во многих странах широко применяются решения на базе точек доступа Wi-Fi. Но вездесущие современные точки доступа, оснащенные антенной с круговой диаграммой направленности, для этой цели не годятся. Для того чтобы Wi-Fi-связь можно было эффективно интегрировать с многоуровневой системой пятого поколения, потребуются роутеры с несколькими антеннами, способные адаптивно изменять диаграммы направленности передачи и приема в зависимости от трафика. Такой подход позволит, во-первых, существенно улучшить качество, воспринимаемое пользователем, а во-вторых, удовлетворить потребности будущих беспроводных сетей 5G в скоростях и пропускной способности.

Здесь необходимо учесть и тот факт, что системы Wi-Fi потребляют значительно меньше энергии, чем существующие системы связи второго и третьего поколений, а их развертывание обходится значительно дешевле, чем апдейт сетей LTE или 3G. Не говоря уже о том, что проблемы доступности частот для строительства сетей 3G и LTE до сих пор далеки от решения.

Издержки национальной специфики

Да, простых и дешевых решений частотных проблем мобильной связи пока не найдено. И то, что сети не первый год работают, положения дел не меняет.

Полосы выше 2 ГГц не позволяют строить уличные сети достаточной емкости и мощности из-за целого ряда регуляторных и физических ограничений. С одной стороны, сигналы на частотах выше 2 ГГц плохо проникают сквозь стены, создавая снаружи многолучевые отражения. В результате они плохо принимаются в помещениях из-за ослабления в бетоне и плохо принимаются на улице из-за многолучевых помех. С другой стороны, действующие регуляторные требования к использованию частот этого диапазона существенно ограничивают допустимую мощность базовых станций 3G в целом ряде центральных регионов страны, в первую очередь в Москве.

В наиболее «лакомых» участках спектра LTE – в диапазоне 700–800 МГц – давно и плотно расположилось телевидение, и руководители вещателей с недавних пор обрели неколебимую уверенность в том, что освобождать частоты ни в коем случае нельзя. Несмотря на то что Европа уже ограничила на своей территории телевизионные полосы на уровне 694 МГц, отдав мобильной связи все, что выше этой отметки, в России такое решение непопулярно. Возможно, здесь что-то сдвинется с мертвой точки, когда выйдут из строя передатчики цифрового телевидения, работающие в полосах выше 694 МГц, и выяснится, что ведущие европейские производители их больше не выпускают. Но это случится, вероятно, нескоро. К тому времени сотовая связь уже может удовлетворить свои потребности в спектре каким-нибудь другим способом. Но пока такого способа не придумали.

Добавьте сюда военных пользователей, которые, несмотря на данные 25 лет назад обещания перевести свои системы, действующие на частотах 700–800 МГц, в диапазоны, предусмотренные для них международными документами, продолжают активно работать там, где весь мир строит сотовую связь и цифровое телевидение, и вы получите невеселую картину для всех, кто занимается внедрением LTE в России.

Может быть, из этой ситуации есть другой выход? Конечно, есть. Весь мир давно понял – чтобы отдача от спектра была максимальной, нужно создавать стимулы, побуждающие лицензированных пользователей частот (операторов связи и вещания, например) к их совместному использованию. Это решение должно быть таким, чтобы оператору было невыгодно незадействованные частоты держать «при себе», лишь бы конкурент не получил хотя бы минимального преимущества, как это сплошь и рядом мы видим сегодня. Если регулятор на самом деле хочет использовать спектр эффективно, то ему нужно создать условия, которые заставят операторов кооперироваться и динамично перераспределять между собой совокупный доступный ресурс.

Можно ли отрегулировать нерегулируемое?

Всем, кто в теме, уже не первый год понятно, что одним из наиболее действенных инструментов решения проблемы дефицита спектра для работы беспроводных сетей будущих поколений может стать динамическое распределение частот. Такое предположение привело к появлению целого ряда исследований, направленных на поиск пригодных для этого методов. Пожалуй, самым естественным вариантом решения может стать применение принципов когнитивного радио. Препятствием на пути внедрения этих технологий является отсутствие в нашей стране регуляторных решений, которые определяли бы практические сценарии такой работы для операторских сетей.

К сожалению, решения TVWS, которые позволяют весьма эффективно использовать свободные частоты без сложных расчетов и длительной бюрократической волокиты с получением разрешений, довольно быстро вводятся в строй по всему миру, но не в РФ. Возможно, нашим ученым потребуется провести еще не одно исследование с тем, чтобы регулятор смог по достоинству оценить невероятную эффективность когнитивных систем радиосвязи, особенно для новейших технологических решений. В условиях недостаточной информации о характеристиках среды распространения, абсолютно асинхронного пользовательского трафика, полной неопределенности в том, что касается внешних шумов и их корреляции с шумами канала передачи, а также отсутствия сколько-нибудь достоверных сведений еще о полутора десятках параметров, которые способны динамично меняться в широких пределах, любые расчеты ЭМС могут оказаться как безупречно точными, так и полностью ошибочными.

Разработанная за океаном и уже внедренная в десятках стран мира система TVWS работает в полосах телевидения – от 470 до 862 МГц. Эта система, которая самостоятельно выбирает самый свободный от помех канал из числа разрешенных для сканирования, оказывается в такой ситуации единственным решением, не имеющим всех перечисленных выше недостатков. Но нет в жизни идеала. Регулятор пока не готов дать пользователям такую свободу выбора, по самым разным причинам. Они понятны, и нет смысла их снова называть. Но желание все контролировать порой срабатывает в негатив. Технология сегодня достигла такого уровня зрелости, когда излишнее регулирование начинает активно вредить ее дальнейшему развитию. Так же, как АТС однажды пришли на смену ручному коммутатору, потому что автоматика работает точнее и быстрее человека, так же, как роботы заменили рабочих на конвейере и в десятки раз ускорили промышленное производство, так и регуляторы спектра должны однажды понять, что динамический доступ к спектру, возможно, и уменьшит на десяток процентов доходы системы, ведущей расчеты электромагнитной совместимости, зато на порядок увеличит налоговые поступления от предоставленных оператором и оплаченных абонентами услуг связи пятого поколения.

Умные антенны и сверхвысокие частоты

Как предполагают разработчики нового стандарта, еще одним ключевым его аспектом в деле борьбы с помехами должно стать умение антенны динамически видоизменять свою трехмерную (3D) диаграмму направленности, адаптируя ее под текущие потребности трафика. В отличие от ставшего уже привычным 2D-диаграммообразования, новое решение будет регулировать силу излучения не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости, что даст операторам дополнительную свободу при планировании сети. В российских условиях, когда главным фактором, мешающим эффективно использовать диапазон 800 МГц, являются самолетные радиоэлектронные средства, такое решение может представлять собой более быстрый и более бюджетный выход для операторов, так как им не придется заниматься несвойственной им темой, связанной с конверсией спектра, который занят оборонными системами. Задачу отстройки от помех решат алгоритмы формирования трехмерной диаграммы направленности антенн.

Специалисты предлагают еще один подход к проблемам нехватки спектра для нормальной работы беспроводных систем будущих поколений. Он связан с применением миллиметровых волн. Для того чтобы иметь возможность удовлетворять потребности современных сетей в пропускной способности канала, тех полос частот, что выделены нынче для мобильной связи, никогда не будет достаточно. Скорее всего, мы неизбежно обратим взор на полосы выше примерно 50 ГГц, которые почти полностью свободны и в которых легко подобрать огромные незадействованные участки. Но физику не обманешь. Возможно, в этих полосах нам удастся найти эффективное решение для очень коротких наружных транспортных каналов «точка – точка» или для поддержки в небольших помещениях высокоскоростных беспроводных приложений типа потоковой передачи мультимедийного контента с высоким разрешением. Но как справиться с быстрым ослаблением таких сигналов при распространении? Как избежать катастрофических проблем многолучевости в условиях мобильного приема? Как преодолеть такие свойственные этим частотам недостатки «железа», как высокая нелинейность усилителей и низкая эффективность радио­компонентов? На сегодняшнем уровне развития технологий мы еще не знаем ответов на эти вопросы и непонятно, узнаем ли их когда-нибудь.

Смешать и не взбалтывать…

Несмотря на то что многие серьезные ученые все упомянутые выше методы, а также некоторые другие, чуть более, на мой взгляд, фантастические, рассматривают в качестве перспективных технологий для создания сетей пятого поколения, ясности относительно того, какая именно их комбинация будет определять стандарт подвижной связи 5G, пока нет. И потому любые наши аналитические выкладки могут оказаться в той или иной степени ошибочными. Связь – такая отрасль, которая постоянно преподносит сюрпризы, то не оправдывая наших ожиданий, то значительно превосходя самые смелые прогнозы.  

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!