5G NewRadio

Факты и вымыслы: каким на самом деле будет 5G NewRadio
Предпосылки к разработке

№ 03’2018
PDF версия
Исходная версия спецификаций 5G NewRadio (5G NR) была выпущена Комитетом стандартизации Партнерского проекта третьего поколения (3GPP) в декабре 2017 года. После чего начали появляться чипсеты 5G, и интенсивность исследований в данном направлении заметно возросла. Что это значит для тех, кто занят разработкой устройств 5G? Вначале 5GNRбудет поддерживать лишь небольшое число сценариев применения. В статье рассматривается 15-й релиз стандарта 5GNR, демонстрируются некоторые неверные представления и описываются ограничения и предпосылки проектирования устройств.

5G NR выглядит для потребителей многообещающе — очень высокие скорости загрузки для просмотра сверхвысококачественного видеоконтента, малые задержки в критически важных приложениях, например для управления дронами, и прямое взаимодействие между устройствами, минуя сеть. Все это подробно рассмотрено в документе «Общие цели перспективного развития IMTдо 2020 года и далее». Согласно отчету EricssonMobilityза декабрь 2017 года, предполагается, что суммарный объем данных, передаваемых по мобильной сети, будет ежегодно увеличиваться на 42% (рис. 1). Это предъявит серьезные требования к беспроводной сети, и для достижения поставленных целей понадобятся новые технологии.

Объем передаваемых по мобильной сети данных согласно прогнозу EricssonMobility, декабрь 2017

Рис. 1. Объем передаваемых по мобильной сети данных согласно прогнозу EricssonMobility, декабрь 2017

Как и в строительстве дома, первый шаг заключается в возведении прочного фундамента для поддержки всей структуры. На первых этапах новые функции будут обеспечивать расширенную широкополосную мобильную передачу (eMBB) и сверхнадежную передачу данных с малыми задержками (URLLC), а поддержка других сценариев массового межмашинного взаимодействия (mMTC), ориентированная в первую очередь на приложения IoT, будет определена позже, в 2019 году. Сейчас стандарты 5G NR все еще находятся на этапе разработки и будут завершены в ближайшие несколько лет. Какими же из этих новых функций 5G можно воспользоваться уже сейчас? Давайте посмотрим, что можно реализовать с помощью начального варианта R15.

 

Факт или вымысел?

5G NR приходит на смену сетям 4G

 Вымысел: 4G LTE продолжает развиваться и фактически будет играть основную роль в успешном внедрении 5G. При подключении устройств к сети 4G и 5G будут сосуществовать, обеспечивая более широкое покрытие и облегчая внедрение новых сетевых технологий. Разработчики стандарта 4G LTE-Advanced Pro уже достигли скоростей передачи в несколько гигабит за счет применения методов модуляции более высоких порядков, расширения потоков MIMO(несколько входов, несколько выходов) и агрегирования лицензируемого и нелицензируемого спектра с помощью таких технологий, как LTE-LAA (лицензируемый доступ с дополнительной поддержкой). Будет наблюдаться интеграция между 4G и 5G, и первый выпуск 5G NR не станет полностью автономным (NSA): в части распределения и управления сигналами сеть 5G будет опираться на сеть 4G. Конечный вариант R15 сможет поддерживать автономный режим (SA), но предполагается, что слияние 4G, 5G и даже Wi-Fiпродолжится и будет обеспечивать поддержку широкого спектра услуг. В конечном итоге это значит, что 4G не исчезнет в скором времени. Разработчикам устройств придется учитывать сосуществование 5G NR, 4G LTE и Wi-Fi на одной несущей, порождающее радиочастотные помехи, а также сетевые коллизии в процессе распределения трех разных протоколов.

5G будет использовать гибкую нумерологию для решения проблем распределения спектра и услуг

 Факт: стандарт 5G NR представил гибкую нумерологию для поддержки широкого диапазона частот и распределения всевозможных служб, в качестве которых могут выступать приложения IoT, передающие большие объемы данных, приложения с малыми и даже большими задержками. Разнесение поднесущих больше не ограничивается фиксированными 15 кГц. Вместо этого разнесение поднесущих растет с увеличением частоты с шагом 2µ× 15 кГц. Это позволяет использовать переменную длительность слота, в результате чего некоторые слоты могут занимать меньше времени. Для поддержки будущих критически важных приложений с малыми задержками мини-слот будет короче стандартного слота и может начинаться в любое время, не дожидаясь границы слота (рис. 2).

 Разнесение поднесущих в стандарте 5G NR растет с ростом частоты, что обеспечивает различную длительность слотов

Рис. 2. Разнесение поднесущих в стандарте 5G NR растет с ростом частоты, что обеспечивает различную длительность слотов

С появлением в 5G NR гибкой нумерологии число необходимых тестов резко возросло, и разработчикам устройств придется создавать и анализировать сигналы в частотной, временной и модуляционной областях, а также проверять параметры устройств в сетях с разными нумерологиями.

Кроме того, в процессе мультиплексирования разных нумерологий только поднесущие в пределах одной нумерологии остаются взаимно ортогональными. Смешение нескольких нумерологий на одной несущей может создавать помехи поднесущим других нумерологий. Чтобы убедиться в отсутствии внутриполосных и внеполосных излучений, создающих помехи другим сигналам на этой же несущей, потребуется проверка радиочастотной совместимости.

5G NR использует только КВЧ-диапазон

 Вымысел: хотя применение КВЧ-диапазона критически важно для достижения высочайшей пропускной способности, ожидаемой от широкополосных каналов 5G, частоты ниже 6 ГГц будут по-прежнему использоваться во всех трех сценариях применения: eMBB, ULLRCи mMTC. Спектр ниже 6 ГГц хорошо освоен, и многие страны высвобождают спектр для первых выпусков в диапазонах до 6 ГГц. Примерно 20 стран рассматривают возможность применения диапазона 3,4–3,8 ГГц, в котором можно найти непрерывные участки спектра. Частоты ниже 6 ГГц порождают некоторые проблемы, но именно применение более широких поднесущих в КВЧ-диапазоне создаст целый ряд новых проблем, с которыми до этого не приходилось сталкиваться коммерческой мобильной связи. 5G NR регламентирует применение частот до 52,6 ГГц, и некоторые страны проводят испытания в диапазонах 26, 28 и 39 ГГц.

Среди новых проблем, возникающих в связи с переходом в КВЧ-диапазон, есть проблемы, вызванные дополнительными потерями в канале, затенением и другими особенностями распространения сигнала, ограничивающими зону покрытия соты. Для решения проблем распространения сигнала будет применяться формирование заданной диаграммы направленности антенн, в свою очередь порождающее свои проблемы, которые будут описаны далее в этой статье. Возникнут дополнительные трудности эффективной генерации и приема высококачественных сигналов в существенно более широких полосах. Особую важность приобретут расширенные возможности измерения ВЧ-характеристик сигнала, таких как модуль вектора ошибки, относительный уровень мощности в соседнем канале и маска излучаемого спектра.

Тесты 5G для диапазона КВЧ нужно будет выполнять по радиоэфиру (OTA)

 Поживем — увидим: большинство тестов на частотах до 6 ГГц выполняется путем физического подключения коаксиального кабеля от тестируемого устройства к испытательной системе. Компоненты, работающие на КВЧ, обладают меньшими размерами и более высоким уровнем интеграции, что может ограничить число контрольных точек и затруднить (или вообще сделать невозможным) кабельное соединение. Без кабельного соединения разработчикам остается полагаться на тесты по радиоэфиру. Тесты по радиоэфиру в КВЧ-диапазоне внесут новые погрешности за счет использования радиоэфира в качестве соединения. На разных этапах создания изделий нужно выполнять разные тесты взаимодействия абонентского оборудования (АО) с базовой станцией. Например, в техническом описании 3G PP указаны следующие тесты радиопередачи и приема (таблица).

Таблица. Перечень тестов радиопередачи и приема согласно техническому описанию стандарта 3GPP

 

Абонентское оборудование

Базовая станция

Документы

TS 38.101, радиопередача и прием абонентского оборудования

TS 38.104, радиопередача и прием базовой станции.

TS38.141, проверка совместимости базовой станции

Тесты передатчика

Мощность передачи.

Динамические характеристики выходного сигнала.

Качество передаваемого сигнала.

ВЧ-спектр выходного сигнала.

Паразитные излучения

Излучаемая мощность при передаче.

Выходная мощность базовой станции.

Динамические характеристики выходного сигнала.

Мощность в состояниях «вкл./выкл.».

Минимальная выходная мощность.

Качество передаваемого сигнала.

Занимаемая полоса частот.

Коэффициент утечки мощности в соседний канал (ACLR).

Паразитные излучения в рабочем диапазоне.

Паразитные излучения передатчика.

Интермодуляционные искажения передатчика

Тесты приемника

Параметры многоантенной передачи.

Опорный уровень чувствительности.

Максимальный входной уровень.

Селективность по соседнему каналу.

Параметры блокировки.

Реакция на паразитные составляющие.

Интермодуляционные искажения.

Паразитные излучения

Чувствительность.

Опорный уровень чувствительности.

Динамический диапазон.

Внутриполосная селективность и блокировка.

Внеполосная блокировка.

Паразитные излучения приемника.

Интермодуляционные искажения приемника.

Внутриканальная селективность

К числу самых серьезных проблем конструирования относятся размещение антенны и блокировка или ложные сигналы. Измерения через радиоинтерфейс в ходе научных исследований должны предусматривать измерения диаграммы направленности, измерения перекрестной поляризации и тесты управления лучом. Тесты совместимости еще предстоит определить. Недавно 3GPP добавил метод испытания дальности компактных антенн (CATR), который использует параболический отражатель для того, чтобы сигнал выглядел поступающим с большого расстояния. Этот метод может дать точную, недорогую и компактную альтернативу традиционным испытательным камерам для измерений в дальней зоне.

MIMO с большим числом каналов и формированием диаграммы направленности (ДН) 5NR будет использовать антенные решетки с сотнями антенных элементов

 Вымысел: в то время как MIMO с большим числом каналов использует сотни антенн на базовой станции, 5G NR R15 поддерживает только MIMO до 8×8, то есть 64 антенных элемента — то же число, что и в текущей версии 4G LTE. MIMO с большим числом каналов определена достаточно туманно — как MIMO с существенно большим количеством антенн на базовой станции, чем на абонентском устройстве, и реализован в виде многопользовательского MIMO (MU-MIMO). В начальной версии на базовой станции планировалась MIMO до 8×8 и 2×2 у абонентов. В последующих версиях стандарта, вероятно, добавится поддержка MIMO более высоких порядков. MIMO с большим числом каналов будет реализована в диапазонах до 6 ГГц и КВЧ, причем первое коммерческое применение начнется на частотах ниже 6 ГГц. MIMO можно реализовать несколькими способами, и в специальных случаях для фокусировки мощности в нужном направлении используется формирование диаграммы направленности с помощью нескольких антенных элементов. Эта методика помогает улучшить отношение сигнала к шуму и помехам (SNIR) для конкретного пользователя. Стандарт 5G NR описывает новый начальный метод доступа для формирования диаграммы направленности, который будет использовать развертку луча ДН-антенны, в результате чего базовая станция сможет определить луч максимальной силы и установить соединение, как показано на рис. 3.

 

Развертка главного луча ДН-антенны и начальный доступ

Рис. 3. Развертка главного луча ДН-антенны и начальный доступ

MIMOи формирование диаграммы направленности создают массу проблем для диапазонов до 6 ГГц и КВЧ. Кроме проблем поиска луча на этапе начального доступа, нужно проверять общее управление лучом, эффективность перехода между сотами и пропускную способность.

 

Заключение

Сегодня многие компании яростно сражаются за первенство на рынке продуктов 5G. При наличии большого числа пробных проектов и различных чипсетов модемов 5G вскоре должны появиться элементы инфраструктуры и абонентские устройства. Новые проблемы сосуществования 5G NR, 4G и Wi-Fi, гибкая нумерология, качество сигнала в КВЧ-диапазоне, тестирование по радиоинтерфейсу и управление лучом потребуют нового взгляда на тестирование. Придется рассматривать параметры сигнала в присутствии разных нумерологий и на более высоких частотах КВЧ-диапазона. Кроме того, поскольку сети и базовые станции пока отсутствуют, для проверки характеристик устройств в реальных условиях придется применять эмуляторы сетей, эмуляторы каналов и испытательные решения для проверки радиоинтерфейса.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *