5G является основой индустрии связи и получит революционные применения на других рынках, таких как промышленность, автомобилестроение, медицина и даже национальная оборона. В мире, который все больше связан с Интернетом вещей (IoT), заметные улучшения 5G в скорости (как минимум в 10 раз быстрее, чем 4G, до 10 Гбит/с), задержке (в 10 раз ниже, чем у 4G, до 1 мс) и плотности (поддержка 1 миллионов устройств Интернета вещей на квадратный километр) сделают возможным множество инновационных приложений, особенно в таких важных областях, как безопасность, надежность, качество обслуживания, эффективность и стоимость.

Как показано на рисунке ниже, 5G обеспечит взаимосвязь товаров и услуг, при этом «товары» будут находиться в пространстве пользователя или предприятия, а «услуги» обычно будут находиться в облаке. Сеть 5G сможет гибко разделять параллельное соединение, идеально адаптировать уровень обслуживания, требуемый пользователями, путем корректировки и обеспечивать отличную схему баланса затрат и производительности.

5G — это не только еще одна «эра» развития стандартов связи, но и общий термин, содержащий как минимум три основные тенденции. Согласно определению Международного союза электросвязи, первая тенденция — это усовершенствованная мобильная широкополосная связь (emBB), которая укрепит инновационные области, такие как дополненная реальность и виртуальная реальность. Вторая тенденция — массовая коммуникация машинного класса (mMTC), включая повсеместное подключение датчиков Интернета вещей. Третье — это сверхвысоконадежная связь с малой задержкой для ключевых приложений, таких как автоматическое вождение или удаленная хирургия.

5G будет повсюду, охватывая смартфоны, автомобили, коммунальные услуги, носимые устройства, больничные операционные, крупные заводы, электросети и другие приложения, а также приближаясь к концепции умных городов, интеллектуального производства и подключенного мира.

Новая радиосвязь 5G (NR) связана с LTE Advanced, которая по-прежнему является важной частью платформы 5G, обеспечивающей работу в существующей базовой сетевой инфраструктуре. С запуском 15-й версии Партнерской программы третьего поколения (3GPP), завершенной в конце 2017 года, этот подход позволил отрасли добиться устойчивого прогресса в диапазоне частот ниже 6 ГГц. К 2020 году 15-е издание сможет способствовать скорейшему развертыванию большинства сетей 5G.

Однако ожидается, что 16-й стандарт, выпущенный во второй половине 2019 года, затронет частотный спектр выше 6GH (z-миллиметровая волна) (см. рисунок ниже).

16-е издание имеет решающее значение для критически важных коммуникационных услуг, виртуальной реальности и Интернета вещей с низким энергопотреблением (LPWA). Ожидается, что этот стандарт реализует реальный потенциал, который обычно рекламируется как концепция 5G: он позволит реализовать множество приложений и различные новые функции, такие как совместное использование спектра, стандарт сотового Интернета транспортных средств (C-V2X) для автомобильной промышленности и т. д. ., тем самым полностью меняя структуру индустрии связи.

Первое экономическое обоснование 5G очень простое:

Он повышает пропускную способность, скорость, надежность и доступность сети, а также снижает задержку при тех же затратах, что и 4G.

Второй бизнес-кейс был запущен в коммерческую эксплуатацию в США, то есть приложение фиксированной беспроводной связи, которое использует частоту миллиметровых волн (3GPP не указан) для покрытия удаленных пользователей, чтобы обеспечить соединение со скоростью 300 Мбит/с или более в качестве дешевого альтернатива установке оптоволокна. Это удовлетворило требования большинства мобильных операторов мира, принимавших участие в раннем тестировании и тестировании 5G, а также тех операторов, которые построили инфраструктуру для поддержки запуска услуг 5G (сначала построим инфраструктуру в базовой сети, увеличим зону покрытия). плотность новых гетерогенных сотовых сетей).

Среди стран/регионов, участвовавших в раннем тестировании и тестировании, США начали продвигать 5G быстрее, чем любая другая страна, чтобы подготовиться к необходимому уплотнению покрытия сотовой сети, но отстали в установке базовых приемопередатчиков (BTS). Для справки: в 2018 году в США было установлено около 200 000 базовых станций, а в Китае — около 2 миллионов базовых станций. Кроме того, Китай также имеет 70% существующих в мире подключений Интернета вещей, что делает потребности двух стран в продвижении очень разными. На момент написания статьи аукционы новых частот проводились в Южной Корее, Австралии, Великобритании, Италии, Испании, США и Германии или были включены в план.

На Всемирной конференции мобильной связи 2018 года GSMA прогнозировала, что к 2023 году будет около 400 миллионов подключений 5G (30% из которых находятся в США), охватывающих потребительские и корпоративные приложения.

Не только поставщики услуг связи (CSP) полны надежд на развитие 5G, ведь многие нетрадиционные игроки также стремятся попробовать себя в сфере 5G. Сверхверхние (OTT) медиа-провайдеры (включая Facebook, Microsoft, Google и Amazon) внимательно следят за бизнес-возможностями. Эти OTT-провайдеры владеют облаком, в котором находится большинство сервисов, поэтому они являются основными участниками операций 5G. Однако у них нет прав доступа, и эта часть по-прежнему полностью размещается на CSP.

Даже во время внедрения 4G многие сетевые функции были виртуализированы, что дает возможность значительно развиваться публичной облачной части инфраструктуры (инфраструктура как услуга). Однако канал по-прежнему прочно находится в руках CSP. Система симбиотических функций требует правильной связи между поставщиками и пользователями и интеллектуального управления ими. В процесс развития этих соединений будут включены новые технологии, такие как разделение сети и периферийные вычисления, которые являются важными новыми функциями 5G.

Сетевой срез

Сделать вычисления ближе к пользователям (периферийные вычисления) — важная часть проекта 5G. Однако еще одним не менее важным будущим элементом 5G является концепция разделения сети, которая может вывести концепцию программно-определяемой сети 4G на новый уровень.

Как показано на рисунке ниже, разделение сети позволяет операторам отделить уровень потока пакетов от уровня управления и поддерживает параллельную работу нескольких приложений и служб для ряда пользователей с разным качеством, задержкой и уровнями пропускной способности.

Это означает, что система 5G будет иметь множество логических сетевых сегментов (или «каналов быстрого отслеживания») для поддержки конкретных приложений и клиентов. Например, некоторым клиентам операторов может потребоваться emBB для использования инструментов дополненной реальности, в то время как другим клиентам могут потребоваться сети, подходящие для mMTC, автоматического вождения или удаленной хирургии, поэтому им необходимо предоставить разные сетевые атрибуты. Каждое приложение имеет свои особые требования. Разделив сеть на различные частные сеансы или параллельные соединения, можно соответствующим образом оптимизировать различные фрагменты.

Это позволяет операторам продавать сети клиентам в форме «сети как услуги», так что каждый клиент может использовать часть сети, как если бы она была полностью физически изолирована от целого: некоторые из них похожи на «готовность поделиться «кусок пирога» и модуляция ингредиентов, доступных в формуле, в реальном времени. По сути, разделение сети может повысить операционную эффективность и сократить время выхода на рынок для внедрения новых услуг.

Фактически, разделение сети может стать одним из крупнейших факторов предоставления экономически эффективных новых услуг 5G корпоративным клиентам.

Периферийные вычисления означают принятие решений в реальном времени вблизи источника данных. Размещая вычислительный интеллект рядом с отдельными и разными источниками данных, периферийные вычисления могут сократить задержку при реализации запрошенных услуг. Граничные вычисления не отправляют данные в облако для обработки через всю базовую сеть, а используют архитектуру распределенной сети, чтобы обеспечить обработку практически в реальном времени и одновременно сократить задержку. В противном случае это просто неприемлемо для конкретных сервисов.

Благодаря распространению критически важных приложений, требующих вычислительных ресурсов в реальном времени, а также распространению интеллектуальных функций, поддерживаемых искусственным интеллектом (ИИ), таких как автоматическое вождение, телемедицина и приложения виртуальной реальности, вычисления становятся ближе к конечному пользователю и, следовательно, ближе к край, что имеет решающее значение. Например, если система задержится на десятки миллисекунд, когда автомобиль пройдет всю сеть и вернется, автомобиль все равно проедет еще несколько футов даже после получения команды на торможение. Использование краевых ресурсов и уменьшение задержки в 10 раз позволит значительно сократить время от команды до торможения.

Ресурсы периферийных вычислений (или периферийные вычисления с множественным доступом) могут легко найти место в традиционном центральном офисе сети беспроводного доступа (RAN). Дополнительные аппаратные ресурсы и серверы с ИИ-ускорителями могут располагаться на переменном расстоянии в несколько километров от антенного кластера. Это создаст много дополнительной аппаратной инфраструктуры.

Сеть 5G имеет стандарты и функции доступа NR, поэтому она подходит для нескольких вертикальных рынков с различными приложениями. Это привело к чрезмерным требованиям к аппаратному обеспечению, включая требования к активной антенной системе (AAS) и другому оборудованию, что также привело к развитию концепции удаленной головной станции радиосвязи с помощью встроенных антенн. Эта интеграция помогает решить проблемы, с которыми сталкивается 5G, в следующих аспектах: использование пространственного разнесения и локальных лучей для повышения пропускной способности, а также внедрение крупномасштабной технологии MIMO (mMIMO).

Технология AAS может максимизировать эффективность базовой станции и помочь операторам значительно увеличить свою пропускную способность (до пяти раз по сравнению с 5G) и покрытие сети. Кластер усилителя мощности (УМ) и антенные элементы являются основными компонентами AAS (в настоящее время может быть включено до 1024 УМ), которые могут обеспечить полную функцию доступа к сети для подключения к узлу основной полосы частот, где может быть расположен узел основной полосы частот. в том же месте, что и ААС, или в центральном офисе (облако РАН). Частотное мультиплексирование может быть реализовано через mMIMO (эта технология основана на пространственном разнесении и поддерживает множественную синхронизацию и отдельные пути передачи данных для отдельных пользователей), а частотное мультиплексирование стало основным фактором повышения пропускной способности BTS, который используется для реализации пространственного мультиплексирования.

При использовании нескольких антенн также можно использовать улучшенную технологию формирования луча, которая использует трехмерные направленные и сфокусированные лучи. Эта технология уменьшает помехи в соседних каналах, максимизирует достижимое расстояние при равной мощности и направляет поток данных к желаемой цели. Таким образом, он может оптимизировать общую емкость и добиться более высокой пропускной способности радиосигнала.

AAS был развернут на заключительном этапе внедрения 4G. Теперь, как новое устройство, AAS широко используется там, где необходимо улучшить пропускную способность и зону покрытия. Внедрение нового спектра с поддержкой обратно совместимого оборудования 4G и базовой полосы с поддержкой обновляемого программного обеспечения также будет способствовать обновлению оборудования макро BTS.

Чтобы увеличить плотность покрытия новых услуг, особенно в густонаселенных средах, таких как многоэтажные жилые дома, стадионы, торговые центры и тематические парки, необходимо будет развернуть небольшие соты, чтобы сделать передачу ближе к пользователям с более низким энергопотреблением и более высоким битрейт.

С точки зрения аппаратного обеспечения наиболее серьезной проблемой является плотность, в основном в том числе: во-первых, как добиться комплексного управления температурным режимом во все меньших и меньших корпусах. Во-вторых, как эффективно оправдать ожидания за счет масштабной интеграции функций и компонентов. В-третьих, добиваясь всего этого, сохранять высокую производительность при низком энергопотреблении.

Для достижения этой цели все компоненты AAS, от приемопередатчиков до часов и управления питанием, должны быть переработаны или настроены в соответствии со сложными требованиями, предъявляемыми растущим числом компонентов в новом устройстве. Это можно реализовать с помощью радиочастотного (РЧ) приемопередатчика, интеграции большего количества радиочастотных приемопередатчиков, добавления вспомогательных функций и создания интеллектуальных системных решений для кластеризации множества новых компонентов посредством общего управления питанием.

Высокоинтегрированный многоканальный радиочастотный приемопередатчик является ключевым элементом аппаратного обеспечения 5G. Для этого не только требуется полоса пропускания радиочастотного сигнала до 1 ГГц, но также поддерживается многодиапазонная работа. За счет реализации технологии радиочастотной выборки описанные характеристики можно реализовать в более простой архитектуре с меньшими затратами. Приемопередатчик сериализатора/десериализатора имеет производительность выше 10 Гбит/с и встроенный генератор фазовой автоподстройки частоты (PLL) с низким джиттером/генератор, управляемый напряжением (VCXO). Еще одной ключевой функцией этих новых встроенных систем является то, что они могут упростить генерацию тактовых импульсов выборки, позволяя использовать опорные тактовые сигналы с более низкими частотами.

Нельзя игнорировать соблюдение требований к синхронизации сетей 5G с высокой пропускной способностью. В современной мобильной сети источник синхронизации (кварцевый генератор, управляемый напряжением (VCXO)/кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO)) должен иметь очень низкий джиттер и быть в состоянии соответствовать требованиям постоянного снижения шума для поддержки квадратурной амплитудной модуляции более высокого порядка. и получить наилучшие характеристики передачи миллиметровых волн.

В соответствии с архитектурой облачной RAN последняя спецификация общего радиоинтерфейса (CPRI) (названная eCPRI (EthernetCPRI)), представляющая собой многоточечный канал между пулом модулей основной полосы частот (BBU) и сетью удаленных радиомодулей (RRU), обеспечивает канал с высокой пропускной способностью для удовлетворения требований нескольких RRU. Поскольку 5GeCPRI используется в прямой передаче 5G, необходимо соблюдать новые требования к синхронизации. В канале CPRI «точка-точка» по существу должна быть гарантирована синхронизация времени и частоты, но этот вид синхронизации больше не является второстепенной проблемой, а должен быть решен как часть всего решения по синхронизации 5G. Таким образом, дерево тактовой частоты превратилось из решения для удаления джиттера на основе VCXO, используемого при передаче CPRI, к решению сетевого синхронизатора на основе TCXO для удовлетворения требований синхронизации в eCPRI.

Кроме того, макробазовая станция 5G также будет поддерживать стандарт глобальной системы мобильной связи с несколькими несущими (GSM) для передач на частотах ниже 6 ГГц. Следовательно, дерево тактовой частоты также должно соответствовать требованиям к точечному фазовому шуму, которые не нарушают общую спецификацию блокировщика GSM. Для базовой станции 5GmMIMO использование технологии формирования луча может эффективно использовать спектр, сводя к минимуму помехи. Это влияет на перекос между различными выходами в тактовом дереве линии радиочастотного сигнала.

Формируются жесткие ограничения. В дополнение к плану калибровки антенны на системном уровне существуют различные технологии на уровне платы и микросхемы (например, режим нулевой задержки), которые могут минимизировать изменения задержки в дереве часов в процессе, углы напряжения и температуры для улучшения луча. формирование эффективности.

5G также меняет парадигму точки нагрузки, чтобы удовлетворить ряд требований к энергопотреблению Интернета вещей, небольших сотовых сетей и активных антенн. Диапазон размаха (расширения) мощности составляет от нескольких десятых долей ватта до сотен ватт. В частности, с увеличением потребляемой мощности/требований по току значение распределительной шины было изменено на 12 В, чтобы соответствовать требованиям AAS, распределенной антенной системы и радиосвязи нового поколения mMIMO.

С увеличением энергопотребления в RRU и BBU роль шины управления питанием (PMBus) становится все более очевидной. В то же время высоковольтные понижающие преобразователи постоянно совершенствуются, чтобы адаптироваться к увеличению количества УМ, требующих трехмерного теплоотвода и работающих на 100 В преобразователей с переменными пределами тока. Чтобы обеспечить точные часы и схемы приемопередатчика в радиосвязи при одновременном увеличении плотности, размер и шум также можно уменьшить с помощью многоканальных специализированных преобразователей. Преобразователь используется вместо стабилизатора напряжения с низким падением напряжения, а скорость переключения превышает 1 МГц, что позволяет уменьшить размер при сохранении эффективности.

Минимизация содержания, сложности и стоимости спецификации является ключом к победе в конкурсе аппаратного обеспечения 5G, а интеграция функций в интегральные схемы — способ достижения этих целей. Полупроводниковым компаниям придется тесно сотрудничать с заказчиками оборудования базовых станций для производства высокоинтегрированных радиочастотных приемопередатчиков, оптимизированных сигнальных цепей и источников питания для поддержки непрерывного развития технологии 5G.

Последние исторические данные отрасли связи показывают, что цикл перехода на технологии следующего поколения составляет 10 лет. Скорость, принятая 5G, аналогична ей, за ней следует ожидание ее пиковой зрелости.

5G готов придать новую жизнь концепции подключенной земли посредством новой инфраструктуры, нового оборудования и новых вариантов использования. Благодаря высокой пропускной способности и низкой задержке 5G полностью изменит контакт между людьми и оборудованием.

На уровне предприятия 5G может оказаться более преобразующим и обеспечить предоставление критически важных услуг, которые, как ожидается, полностью изменят всю отрасль. В настоящую эпоху 5G межмашинные технологии, датчики с низким энергопотреблением, управление мобильностью, удаленный мониторинг оборудования/активов и интеллектуальные сети будут использоваться на всех заводах будущего.

Другие аспекты 5G будут улучшены, когда в 16-й версии будет включен более высокий спектр. Ячеистая сеть миллиметрового диапазона может использоваться для реализации недорогой транзитной передачи данных на небольших базовых станциях сотовой связи в густонаселенных городских районах. Эти сети также будут применимы к системам связи, подключенным к мастерским или транспортным средствам, что сделает эту технологию ключевой движущей силой автоматического вождения, поскольку транспортным средствам необходимо обмениваться данными с транспортными средствами, сигналами светофора и последней информацией о цифровых картах.

5G может быть сетью, ориентированной на будущее, но она воплощает в себе тяжелую работу нынешних инженеров и, безусловно, сделает мир, в котором мы живем, лучше.