Организация беспроводного интерфейса

Аналогично LTE, сеть 5G основана на методе ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) с возможностью предварительного кодирования с дискретным преобразованием Фурье (Discrete Fourier Transform, DFT) для повышения эффективности усиления в направлении передачи. Тем не менее, для поддержки широкого диапазона сценариев развертывания, от больших ячеек с несущей частотой менее 1 ГГц до развертываний в миллиметровых частотах с очень широким спектром, 5G поддерживает гибкую структуру беспроводного интерфейса с разнесением поднесущих в диапазоне от 15 кГц до 240 кГц с пропорциональным изменением длительности циклического префикса. Малое разнесение поднесущих позволяет использовать относительно длинный циклический префикс при разумных накладных расходах.

Хотя спецификация физического уровня не зависит от полосы частот, не все поддерживаемые структуры беспроводного интерфейса актуальны для всех полос частот. Для полосы частот 0.45 − 6 ГГц доступное разделение поднесущих составляет 15 КГц, 30 КГц и 60 КГц, тогда как максимальный размер канала, соответствующий этим поднесущим – 50 МГц, 100 МГц и 200 МГц. Минимальный и максимальный размеры каналов для полосы частот 24 − 72 ГГц составляет 100 МГц, 200 МГц и 400 МГц, что позволяет использовать разнесение несущих в 60 КГц и 120 КГц для реализации 3300 поднесущих. В тех случаях, когда необходимо поддерживать еще большую полосу пропускания, можно использовать функцию агрегации несущих. В настоящее время для NR не определен спектр частот между 6 ГГц и 24 ГГц, но он может быть добавлен на более поздней стадии.

Не все устройства 5G должны поддерживать полную полосу пропускания, что значительно влияет на организацию, например, каналов управления. Кроме того, 5G позволяет адаптировать ширину полосы канала на стороне АУ для снижения энергопотребления устройства. Следовательно, определяет так называемые части полосы частот (Bandwidth Parts, BP), которые указывают на полосу частот, в которой сейчас работает АУ. Если АУ способно к одновременному приему нескольких BP, в принципе допустимо смешивать передачи разных структур кадра для одного АУ. Отметим, что в версии 15 стандартов 3GPP определяется поддержка только одной BP на приемнике.

Структура радиокадра 5G показана на рисунке 6 радиокадр длиной 10 мс делится на десять подкадров, длительность каждого из которых – 1 мс. Подкадр, в свою очередь, делится на интервалы, состоящие из 14 символов OFDM. Таким образом, длительность интервала зависит от выбранной структуры кадра. Поскольку временной интервал определяется как фиксированное количество символов OFDM, большие интервалы разделения под- несущих приводят к более короткой длительности символа, что может быть использовано для реализации передач с малой задержкой. Однако, NR поддерживает более эффективный подход к уменьшению задержки передачи, вводя дополнительную грануляцию, называемую «мини-интервалом» передачи. Такие передачи могут предотвращать уже запланированные передачи другим устройствам, позволяя немедленно передавать данные, требующие низкой задержки. Данная функциональная возможность используется для поддержки услуги URLLC.

Кадр, 1мс

1 слот - 14 символов, 1мс

15 КГц

30 КГц

1 слот - 14 символов, 0.25мс

60 КГц

Данные, критические к задержке

Контроль нисх. кан.

Данные

Контроль восходящего канала

Референтный сигнал

1 слот - 14 символов, 0.5мс

Рисунок 6- Структура радиокадра технологии радиодоступа NR сетей 5G

Возможность инициировать передачу данных не только на границах интервалов также полезна при работе в нелицензированном спектре частот. В этих условиях для начала передачи необходимо удостоверится, что радиоканал не занят другими передачами. Это реализуется, используя процедуру прослушивания перед передачей (Listen Before Talk, LBT). Как только канал оказывается доступным, выгодно немедленно начать передачу, а не ждать начала интервала, чтобы избежать ситуации, когда другой передатчик перехватывает доступ к каналу.

Работа в области миллиметрового диапазона частот является еще од ним примером эффективного использования мини-слотов, поскольку доступная ширина полосы очень велика, и даже нескольких символов OFDM может быть достаточно для завершения передачи. Это особенно полезно в сочетании с процедурой аналогового формирования луча, когда передачи на множество устройств могут быть мультиплексированы только во временной области.

Поддержка сверхнизкой задержки на беспроводном интерфейсе является важной частью NR, которая влияет на многие технические решения. Одним из примеров являются передачи с “фронтальной загрузкой”. Используя указанное расположение опорных сигналов и управляющей сигнализации нисходящего канала, несущих информацию о планировании начала передачи, и не используя чередование во временной области по символам OFDM, АУ может немедленно начать обработку принятых данных без предварительной буферизации. Это позволяет минимизировать задержку декодирования.

Дуплексная передача

Используемая дуплексная схема определяется доступным спектром частот. Для низких частотных диапазонов используется частотное разделение нисходящего и восходящего каналов (Frequency Division Duplex, FDD).

На высоких полосах, например, в миллиметровом диапазоне частот, рекомендуется использовать непарные назначения спектров, что требует временного разделения, нисходящего и восходящего каналов (Time Division Duplex, TDD).

NR, подобно LTE, поддерживает оба метода дуплексной передачи. Однако, в отличие от LTE, где назначение временных интервалов в схеме TDD не изменяется со временем, NR поддерживает динамическое выделение временных интервалов. В динамическом TDD временной интервал (или его части) могут быть выделены либо для восходящего канала связи, либо для нисходящего канала связи в соответствии с решением планировщика. Это позволяет эффективно обрабатывать быстрые изменения в запросах на ресурсы от абонентов, которые особенно заметны при плотном развертывании с относительно небольшим числом пользователей на одну базовую станцию. Предусматривается также возможность статической конфигурации направления передачи некоторых из слотов. Эта функциональная возможность может позволить снизить потребление энергии на АУ, поскольку нет необходимости отслеживать каналы управления в слотах, которые заранее зарезервированы для передачи.

Планирование передач и каналы управления

Процесс планирования передач в NR очень схож с тем, который реализован в LTE. Каждое АУ контролирует несколько физических каналов управления нисходящего канала связи (Physical Downlink Control Channel, PDCCH), как правило, один раз на слот, хотя можно настроить и более частый мониторинг для поддержки трафика, требующего очень низкой задержки. После обнаружения PDCCH АУ подчиняется решению планировщика и принимает (или передает) одну единицу данных, известную как транспортный блок в NR. PDCCH передаются в одном или нескольких наборах ресурсов управления, каждый из которых имеет длину от одного до трех символов OFDM.

В отличие от LTE, где каналы управления передаются, используя полную полосу частот несущей, полоса частот для передачи набора ресурсов управления может быть настроена. Это необходимо для поддержки АУ с различными возможностями.

После приема данных нисходящей линии связи устройство посылает подтверждение передачи используя протокол HARQ, указывающее, была ли передача успешной или нет. Учитывая очень высокие скорости передачи данных, поддерживаемые NR, размер транспортного блока может быть очень большим. Повторная передача всего транспортного блока в этом случае может стать неэффективной. Поэтому NR поддерживает повторные передачи с более высокой степенью детализации, известной как группа кодовых блоков (Codeblock Group, CBG). Эта функциональная возможность также может быть полезна при обработке вытеснения трафика запланированных передач трафиком, требующим сверхнизкой задержки. Срочная передача на второе устройство может использовать только один или несколько символов OFDM и, следовательно, вызывать сильные помехи первому устройству только в некоторых символах OFDM. В этом случае может быть достаточно повторно передать только неверное полученные CBG, а не весь блок данных. Обработке прерванной передачи может дополнительно способствовать возможность указания первому устройству затронутых частотно-временных ресурсов, чтобы оно могло учитывать эту информацию в процессе приема информации.

Подтверждения передачи проколола HARQ, а также другая информация управления восходящего канала связи, такая как обратная связь о состоянии канала для работы с антенными решетками и запрос на планирование передачи передаются с использованием физического канала управления восходящего канала связи (Physical Uplink Control Channel, PUCCH). Существует несколько форматов PUCCH, в зависимости от объема информации и продолжительности передачи PUCCH. Короткий PUCCH передается в последнем одном или двух OFDM символах временного интервала и может поддерживать очень быструю обратную связь подтверждений передачи для реализации так называемых автономных временных интервалов, где задержка от конца передачи данных до приема подтверждения от устройства имеет порядок длительности символа OFDM, соответствующий нескольким десяткам микросекунд. Для сравнения в LTE задержка фиксирована и составляет 3 мс. В тех ситуациях, когда длительность короткого PUCCH слишком мала, чтобы обеспечить достаточное покрытие соты, существует возможность использования более длинных PUCCH.

Оборудование 5G

Стандарт разработан, протестирован и готов к запуску на потребительский рынок, но кто же предложит рынку сетевое оборудование сотовым оператором, сейчас рассмотрим. В сентябре 2018 года Американский оператор AT&T сообщил кто будет являться поставщиками 5G оборудования, и были названы следующие фирмы: Samsung, Ericsson и Nokia. Данный оператор обошел стороной китайских производителей, таких как Huawei и ZTE в силу наложенных санкций со стороны США из-за торговой войны между Китаем. Кроме, вышеперечисленных компаний разрабатывающих 5G оборудование, существуют другие производители: Cisco, Dell, Hewlett Packard Enterprice, Lenovo, Zyxel.

На Mobile World Congress (MWC) Cisco представили портфолио 5G Now для быстрого перехода операторам на сети пятого поколения. Перечень оборудования представленный Cisco:

Линейные карты высокой плотности Cisco NCS 5500 (400G): обеспечивают эффективное масштабирование в соответствии с требованиями сетей 5G и надежную защиту инвестиций для компаний, использующих маршрутизаторы семейства Cisco NCS 5500.

Маршрутизаторы Cisco NCS 560: оптимизируют сети конвергентного доступа и агрегации высокой плотности и отвечают строгим требованиям 5G xHaul, сетей Cable Converged Interconnect (CIN) и приложений Carrier Ethernet.

Маршрутизаторы Cisco NCS 540: поддерживают технологии Carrier Ethernet, сотового узла, 5G xHaul и малой агрегации.

Одного сетевого оборудования для реализации 5G мало, нужно чтобы устройство поддерживало стандарт.

В начале 2020 года Тайваньская компания Zyxel представиkf сразу три устройства 5G. Это карманный 5G роутер NR2101, домашний NR5101 и уличный NR7101. Устройства будут построены на чипсете Qualcomm SDX55.

Один из главных производителей модемов 5G для смартфонов является Американская компания Qualcomm. Начиная с процессора Snapdragon 855 смартфоны стали поддерживать 5G сети. В смартфонах с чипами Snapdragon 855 ставят собственные чипы связи Snapdragon X50 5G.

Китайские компании тоже не отстают от американских производителей. Huawei разработала собственную 5G платформу, которая называется Balong. Она разделена на три разных решения, каждое из которых предназначено для разных целей. В частности, Balong 5000 мультирежимный 5G модемный чип, выполненный по 7 нм технологии. Стоит отметить, что Huawei использует свои чипы только в устройствах собственного производства.

Компания Samsung в 2018 году представила собственный модем 5G Exynos Modem 5100 — на момент выхода данного модема, он был первым в отрасли 5G, полностью совместимый со спецификациями 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 15 (Rel.15) — самым современным стандартом 5G New Radio (5G-NR). Новый модем рассчитан на производство по 10-нанометровой технологии. Поддерживаются диапазоны «до 6 ГГц» (sub-6GHz) и миллиметровые волны (mmWave). Конечно, есть и поддержка более старых стандартов 2G GSM/CDMA, 3G WCDMA, TD-SCDMA, HSPA и 4G LTE.

MediaTek – китайская компания, известна как поставщик бюджетных аппаратных решений. Не так давно представлен первый 5G модем этого производителя, который получил название Helio M70. В начале 2020 года этот модем будет встроен в ARM-платформы Cortex-A77(ядра CPU) и Mali-G77(GPU).

 

 

ГЛАВА 3. ТРЕБОВАНИЯ К ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ