Сети следующего поколения NGN стандарта GSM — от 2G до 6G

В работе представлены системы сетей следующего поколения: от 2G до 6G, рассмотрены инженерные решения при разработке оборудования связи технологии 5G, показаны технические характеристики различных стандартов и перспективы использования передачи данных на высоких частотах радиоволнового спектра выше 6 ГГц.

Ключевые слова: NGN, GSM, мобильный интернет, технологии 5G, интернет вещей, IoT, Messenger, LTE, системы телекоммуникаций, сети следующего поколения.

Современные смартфоны позволяют пользователям иметь мобильный доступ к различным автоматизированным сервисам информационных систем глобальной сети интернет, передавать текстовые и графические сообщения, просматривать изображения и видеофайлы, работать с навигацией, одним касанием оплачивать товары и услуги, следить за состоянием здоровья, получать услуги авто-помощника и осуществлять связь с различной телекоммуникационной инфраструктурой. Это стало доступно благодаря развитию мобильного интернета — сетей передачи данных, развитие которых тесно связано с таким понятием как Next generation networks (NGN) — сетей следующего поколения. Сети NGN объединяют и дополняют другие сети, такие как IP-сети, ТФОП, голосовую речь, а также включают в себя интеграцию набора мультимедийных услуг [1–2].

Сети передачи данных берут своё начало с 1980 года — появления первого аналогового стандарта мобильных коммуникаций, скорость которого достигала всего лишь 5,6 кбит/с. Этой скорости в наше время будет уже недостаточно для многих привычных нам задач. Далее 1991 году появляется стандарт GSM, по другому сети 2G и скорость уже достигала 19,5 кбит/с. Скорость последнего усовершенствования GSM, который получил название стандарт EDGE, достигала 474 кбит/с. Последние стандарты 3G и 4G позволяют передавать данные со скоростью 3,6 Мбит/с и 150 Мбит/с. В 2014 году компании МТС удалось увеличить скорость в сетях третьего поколения до уровня LTE за счёт разделения используемых частот на три канала, что позволило после модернизации базовых станций, увеличить скорость до 63 Мбит/с и при этом средняя скорость передачи данных стала превышать 20 Мбит/с.

В настоящее время также идет активное тестирование сетей пятого поколения (5G), международное внедрение которое планируется завершить к 2020–2022 годам. Первые тесты были проведены и в России в 2016 году, компаниями Мегафон и МТС, где была достигнута рекордная скорость 25 Гбит/с. Такой скорости вполне хватает, чтобы просматривать без задержек видео в формате 8К или загрузить фильм в формате HD менее чем за три секунды. Для этих целей МТС закупил у компании Ericsson аппаратное обеспечение для сетей беспроводной связи, основное оборудование и новые версии решений Mobile Softswitch Solution (MSS) и User Data Consolidation (UDC), обеспечивающих консолидацию всех пользовательских данных в сети. Кроме того, Ericsson поставит программные решения для массового внедрения Интернета вещей (Internet of Things, IoT), обеспечивающие передачу данных от счётчиков и сенсоров с использованием технологий NB-IoT и Cat-M1.

«Решения Ericsson покрывают растущие потребности МТС в пропускной способности и готовят сеть оператора к огромным переменам, которые повлекут за собой внедрение услуг на базе технологий 5G и IoT. Развитие сетей 5G обеспечит быстрый рост цифровизации всех отраслей, создаст и улучшит множество сценариев использования: например, игры с эффектом присутствия, автономный транспорт, удалённая роботизированная хирургия и услуги технической поддержки и ремонта, основанные на технологии дополненной реальности», — прокомментировал заключение соглашения с МТС глава компании Ericsson в Европе и Латинской Америке Арун Банзал [3].

В чем разница 5G и 4G, рассмотрим, как устроена сеть 5G, для начала разберём такие понятия как длина и частота волны. Длина волны обратно пропорционально частоте, то есть чем короче длина волны, тем больше частота. Известно, что высокая скорость передачи получается в результате модуляции волн высокой частоты; чем больше скорость, тем больше частота и тем короче длина волны.

В сетях третьего и четвертого поколения возникали проблемы с помехоустойчивостью. Межсимвольная интерференция является одной из разновидностей помех, она появляется в результате взаимодействия пакетов (символов) передаваемых данных, например, вследствие многолучевого распространения сигнала, вызванного переотражением волн. Решением данной проблемы стала разработка и внедрение OFDM — систем. Так сети LTE устойчиво работали на частотном диапазоне от 2500 до 2700 МГц (Рис.1). Но в сетях пятого поколения диапазон радиочастот составляет от 6 ГГц до 300 ГГц (миллиметровый спектр радиоволн), этот диапазон получил название высокочастотный диапазон миллиметрового спектра радиоволн.

Миллиметровый спектр радиоволн передает большой объем данных на высоких скоростях, но он не охватывает низкочастотный диапазон радиоволн, на которых работают сети LTE и плохо проходит через препятствия стен зданий и других сооружений. Как следствие этого зона покрытия базовой станции в сетях 5G будет уменьшаться по мере роста используемой частоты. А это значит, понадобится больше базовых станций, чтобы получить тот же охват что и для сети LTE. К примеру, в Нью–Йорке 1251 базовая станция и для устойчивого покрытия 5G понадобиться ещё 635 639 станций, то есть увеличить более чем в 500 раз [по данным UBS Evidence Lab]. Затраты будут колоссальные, при этом нужно отметить, что обычный пользователь, который пользуется мобильным интернетом и просмотром фильмов особой разницы не заметит.

Инженерные решения при разработке оборудования для 5G были связаны с темой оборудования, которое должно быть внедрено в сети пятого поколения. Нужно отметить, что компания Intel и Qualcomm активно ведут разработки электронных приборов усиливающих сигнал миллиметровых радиоволн. Так, например компания Intel разработала платформу Intel 5G Mobile Trial Platform, предназначенную для обеспечения гибкости и мощности в обработке данных, удовлетворяющих требованиям стандарта 5G.

Данное устройство состоит из трёх подсистем:

‒ Процессор базового сигнала, работающий от Altera Arria 10 FPGA, который позволяет быстро обновлять обрабатывающие слои тестовой платформы 5G и гибко отслеживать разработку технологии 5G-интерфейса;

‒ Расширенный радиочастотный блок, поддерживающий работу в полосах частот 6 ГГц, сантиметровых и миллиметровых волн, а также возможности MIMO с двумя потоками или четырьмя потоками;

‒ Стек протокола связи на базе процессора Intel® Core ™ i7.

Оптимальная архитектура платформ этих подсистем позволяют осуществлять:

‒ Использование в различных конфигурациях и геозондах, включая идентифицированные полосы операций и расширяемую архитектуру для других диапазонов;

‒ Массивную пропускную способность данных в диапазоне от 100 до 800 МГц;

‒ Поддержку формирования луча и фазового массива на частотах сантиметровых и миллиметровых волн;

‒ Мультигигабитную симметричную скорость загрузки;

‒ Поддержку передачи данных через IEEE 802.11 Wi-Fi и WiGig;

‒ Сетевой дизайн для услуг сверхнизкой задержки и сверхплотная массивная технология MIMO, а также поддержка одноплатформенных и многоплатформенных режимов;

‒ Расширение существующих инвестиций LTE посредством поддержки LTE-5G с двумя подключениями.

Платформа 5G Mobile Trial, не единственная разработка Intel по продвижению 5G. Об успехах в этой области заявили и в компании Qualcomm Technologies, China Mobile и ZTE. Их сотрудникам удалось разработать сквозную систему тестирования на совместимость передачи данных 5G New Radio (NR), основанную на быстро развивающемся стандарте 3GPP R15. Разработанная инженерами система включает в себя систему-прототип Qualcomm 5G ZR sub-6 GHz UE и предсерийный образец базовой станции ZTE 5G NR. Такая конфигурация оборудования позволяет передавать данные на пиковой скорости в несколько гигабит в секунду и при значительно более низких задержках по сравнению с 4G-оборудованием. Таким образом, успешно продемонстрировав рабочую IoDT-систему, компания Qualcomm может теперь сфокусироваться на масштабировании и дальнейшем развитии аппаратной части 5G-систем [4].

Проанализировав успехи данных разработчиков, нужно отметить, что разработки по созданию и внедрению сетей следующего поколения ведутся и результаты есть. Были разработаны и модернизированы технологии передачи данных на высоких частотах радиоволнового спектра, есть перспективы использование частот выше 6 ГГц. Дальнейшее развитие сетей пятого поколения должно быть направленно на информатизацию инфраструктуры и общества. Должны быть привлечены новые участники, которые смогут направить данную технологию на различные сферы общества такие как, медицина, образование, автотранспорт, цифровая экономика, строительство, производство и добыча сырья.

Литература:

1. Семенов О. Ю. Взаимодействие систем сигнализации R1.5 и R2 в сетях связи / XXII Международная научно-практическая конференция «Вопросы современных научных исследований». — Вестник современных исследований. — 2018, № 4–2 (19), с 299–304.
2. Семенов О. Ю. Подключение абонентов ТфОП к сети IP в рамках концепции NGN / Шафикова А. Ф., Семенов О. Ю. // IV Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века», СурГУ, 29–30 ноября 2017г.
3. https://www.ericsson.com/en/about-us/corporate-governance/management/arun-bansal
4. https://newsroom.intel.com/tag/intel-5g-mobile-trial-platform/