Rambler's Top100
 
Статьи
Владимир ЛЕОНЕНКО  Юй СИНЬГАН  05 декабря 2018

Разделение каналов для обеспечения покрытия в сетях 5G

Разделение каналов «вверх» (от абонента) и «вниз» (к абоненту) позволяет максимизировать покрытие сети 5G в C-диапазоне и повысить качество обслуживания пользователей при уменьшении инвестиций в дополнительные сайты.



Что нужно пользователям от сетей 5G?

5G уже не просто модное словосочетание. Реализация проектов началась, и первая функциональная система 5G, по прогнозам, будет введена в эксплуатацию к 2020 году.

Относительно технологий пятого поколения в профессиональном сообществе и в широких кругах сформировались ожидания, что они смогут обеспечить пиковые скорости передачи данных более 1 Гбит/с и сквозную задержку в эфире менее 1 мс, а это, в свою очередь, позволит использовать сети 5G в различных ситуациях с различными требованиями в каждом отдельном случае. Сети 5G интегрируют новые приложения и сервисы, а также эволюционирующие версии существующих. Таким образом, различные вертикальные рынки (например, автомобильная промышленность, телекоммуникации, здравоохранение и т.д.) будут задействовать одну и ту же систему, предъявляя к ней зачастую противоречивые требования. Согласно формулировке альянса Next Generation Mobile Networks (NGMN), 5G – «это сквозная экосистема, позволяющая использовать устойчивые бизнес-модели».

5G – это система как для «вещей», т.е. автомобилей, смарт-счетчиков, автоматов и т.п., так и для ориентированных на человека устройств и услуг. При определении точных требований к системе с точки зрения задержки, скорости передачи данных, покрытия, надежности, безопасности и т.д. важно сфокусироваться на услугах и устройствах, ориентированных на человека, для которых можно определить качество пользовательского опыта (QoE). Сеть 5-го поколения будет отличаться от предыдущих поколений сетей связи: она будет рассчитана не просто на обеспечение максимальной скорости передачи данных в любом месте, в любое время и кому угодно, но и будет выполнять гораздо более значимое, гибкое и персонализированное сетевое управление на основе понимания конечного пользователя и сервиса.

Традиционно мониторинг эффективности на основе существующих стандартов фокусировался на технических ключевых показателях эффективности. Но не менее важно сосредоточиться непосредственно на качестве пользовательского опыта. Чтобы разработать технологию 5G, ориентированную на пользователя, мы в первую очередь должны понять, чего пользователи действительно хотят. Как показало недавнее исследование, организованное Vodafone Group, больше всего пользователей волнуют следующие показатели: надежность (47%), покрытие (36%) и скорость передачи данных (9%). Эти результаты не следует игнорировать: они дают четкое представление о том, что пользователи в основном заботятся о надежности и покрытии, т.е. доступности предоставляемой услуги.

Разные услуги или варианты использования предъявляют разные требования к QoE. Кроме того, сами конечные пользователи не очень едины в своих требованиях: на них оказывают сильное влияние предварительные знания и ожидания наряду с текущим контекстом использования. Различаются и требования различным частям сети с точки зрения ее модернизации. Однако надежность и покрытие оказались факторами первостепенной важности практически во всех исследованиях и опросах.

Для любого современного оператора, сеть которого является конгломератом унаследованных и взаимосвязанных систем, переход на технологию нового поколения представляет значительный риск. Постепенный эволюционный переход в отдельных частях сети позволяет оператору управлять рисками и сложностями, связанными с масштабной модернизацией, удовлетворяющей критериям QoE.

Российские нюансы

Для России с ее огромными территориями и неравномерным распределением мобильных устройств одна из основных задач – обеспечение качества покрытия.

Фрагментарность диапазонов и полос частот, выделенных разным операторам в разных регионах страны и в разные сроки, вносит свои особенности в инвестиционные планы операторов.

Например, в начале 2018 года, согласно первоначальному проекту решения ГКРЧ, планировалось принять общее решение о выделении ряду операторов на определенных территориях частот в диапазонах 3,4–3,8 ГГц и 24,25–29,5 ГГц.

Однако запрошенные частоты используются некоторыми госкорпорациями и федеральными службами, средствами спутниковой связи, а также задействуются в технологии WiMAX, и с этими пользователями у будущих сетей 5G могут возникнуть помехи.

Часть запрошенных частотных диапазонов для тестирования сетей 5G все же была выделена, но уже в рамках частных решений на отдельных территориях: Москва, Московская область (Сколково и ВЦ «Крокус-Сити» в Красногорске), Санкт-Петербург, Татарстан (Казань и Иннополис), Белгород, Ивановская область (Иваново и Шуя), Калининградская область (Калининград и Светлогорск) и Башкортостан (Уфа и Стерлитамак) в диапазонах 3,4–3,545 ГГц и 3,55–3,8 ГГц.

Для того чтобы соответствовать взрывному росту спроса на данные, который вызван смартфонами, планшетами и технологиями, связанными с интернетом вещей и «умными» городами, сотовым операторам придется значительно увеличить емкость своих сетей, а также снизить стоимость передачи 1 бита данных, возможно, на два порядка.

Задача операторов – обеспечить не только само покрытие, но и необходимую емкость сети. Исторически увеличение емкости осуществлялось в основном за счет добавления новых базовых станций (БС). Развертывание малых сот характеризуется невысокой стоимостью и простотой. Такие соты предоставляют больше вариантов присоединения потребителей, однако имеют достаточно низкую мощность при меньшем покрытии. Цель малых сот состоит в том, чтобы обеспечить дополнительные соединения в конкретных точках. Поэтому простое добавление базовых станций может быть не всегда оправданным или целесообразным.

Какими же методами при развертывании сетей 5G, когда большинство операторов пытаются найти новые источники дохода, но сталкиваются не только со сложностями распределения частотного ресурса по регионам, но и с растущим насыщением рынка и ценовым давлением (падением ARPU), обеспечить надежное покрытие и соответственно качество пользовательского опыта при ограниченных капитальных затратах?

Разделение каналов в теории и на практике

Одним из методов улучшения качества покрытия может служить развязка (разделение) каналов «вверх» и «вниз» (Downlink and Uplink Decoupling, DUDe).

При развертывании 5G в C-диапазоне покрытие канала «вверх» (UL) может быть ограничено по сравнению с покрытием канала «вниз» (DL) из-за более высоких диапазонов и большой разницы в мощностях между БС и терминалами. Это может сильно ухудшить QoE.

Развязка UL/DL позволяет задействовать C-диапазон и диапазон 1,8 ГГц на одном сайте с практически одинаковым покрытием. Эта концепция дает возможность максимизировать охват сети 5G в C-диапазоне для повышения качества обслуживания и может уменьшить инвестиции в дополнительные сайты.

Отличие UL/DL Decoupling от давно используемого в сотовой связи дуплексирования с частотным разделением (FDD) заключается в том, что каналы «вверх» и «вниз» рассматриваются как две отдельные сети, к которым пользователи подключаются в зависимости от различных критериев. Это мотивировано тем, что в гетерогенных сетях имеется большой разрыв в передаваемой мощности в различных слоях, что обуславливает дисбаланс в зонах покрытия UL и DL.

Технология UL/DL Decoupling стандартизирована для сетей пятого поколения и совместима с существующими сетями: она включена в спецификации 3GPP Release 15, а также может в зависимости от сценария развертывания и свойств подключения поддерживаться по действующим спецификациям LTE, что позволяет осуществить эволюционный переход от существующих сетей к полномасштабным сетям пятого поколения.
Применение DUDe дает следующие преимущества:
  • улучшенное отношение сигнал/шум (SNR) в канале UL и уменьшение мощности передачи;
  • уменьшение интерференционных помех в канале UL на 2--3 дБ, что существенно при низком отношении сигнал/шум в плотной сети и может дать выигрыш в скорости передачи данных примерно в 2 раза;
  • увеличенная скорость передачи данных в канале UL (неудивительно, что увеличение желаемой принимаемой мощности и уменьшение интерференции приводит к улучшению SNR, и, следовательно, к более высоким спектральной эффективности и скорости передачи данных);
  • возможность раздельной балансировки нагрузки в каналах UL и DL;
  • низкие затраты на развертывание сети с централизованной RAN.
Рассмотрим применение технологии DUDe на различных сетях.

В самом простом случае при задействовании только высокочастотного диапазона 3,5 ГГц для обоих каналов UL и DL (рис. 1) зона покрытия канала UL сокращается из-за невозможности обеспечить повышение мощности передачи (более 200 мВт) от конечных устройств (необходимость повышения мощности обусловлена большим затуханием сигнала на более высоких частотах). То есть в таком режиме сокращается зона покрытия для канала UL. Режим пригоден для покрытия меньших зон, где нужна высокая пропускная способность этого канала, но он не позволяет покрыть ту же территорию на существующих сайтах. Потребуется увеличение количества сайтов, что не всегда экономически целесообразно. Однако при использовании канала UL на существующих частотах LTE покрытие «вверх» остается прежним без изменения количества сайтов, а покрытие «вниз» (с повышенной пропускной способностью к терминалам в более высоком диапазоне) может быть расширено за счет новых антенных устройств с улучшенной диаграммой направленности или увеличения мощности передачи базовой станции.

Рис. 1.

Если рассмотреть использование полосы конечными пользователями (рис. 2), то окажется, что канал «вверх» занят с вероятностью 15–20%, а канал «вниз» – с вероятностью 40–60%. Такой дисбаланс обусловлен тем, что большую часть времени абоненты используют мобильное устройство для доступа в интернет (примерно 30% времени) и просмотра видео (примерно 60% времени). При этом соотношение нагрузки на каналы DL и UL составляет 90/10 для доступа в интернет и 95/5 для просмотра видео. Только социальные сети, где пользователи проводят 10% своего времени, создают сбалансированную нагрузку на каналы UL и DL (примерно 50/50).

Рис. 2.

Таким образом, применение технологии разделения каналов в сетях мобильного широкополосного доступа вполне оправдано для увеличения скорости передачи при неизменном количестве сайтов и без потери QoE.
По результатам исследования, анализа и математического моделирования на реальной сети в Китае оказалось, что в условиях городской застройки с целевыми показателями пропускной способности 100 Мбит/с при использовании разделения каналов «вверх» и «вниз» количество сайтов потребовалось увеличить лишь на 10% (рис. 3). Без разделения каналов для охвата той же зоны покрытия потребуется примерно двукратное увеличение количества сайтов, что трудно осуществимо в городских условиях и экономически нецелесообразно.


Рис 3.

Демонстрация «в поле» подтвердила результаты моделирования. Использовался диапазон 3410–3510 МГц (полоса100 МГц) для канала «вниз» и диапазон 1766–1776 МГц (полоса 10 МГц) для канала «вверх». При этом расстоянии 450 м пропускная способность канала UL оказалась не хуже 8,2 Мбит/с, а канала DL – не хуже 315 Мбит/с.

В ноябре 2017 года на 8-м глобальном форуме мобильной широкополосной связи в Лондоне компания Huawei и оператор мобильной связи EE (ранее Everything Everywhere, компания, образовавшаяся в результате объединения T-Mobile UK и Orange UK, ныне подразделение BT Group, обслуживающее 26 млн абонентов) продемонстрировали в реальном масштабе времени работающую сеть 5G с развертыванием 5G NR и LTE на одном сайте и разделением каналов «вверх» и «вниз» на разных диапазонах.

В России старт одного из 5G-проектов в «Ростелекоме» и запуск первой опытной зоны состоялись 21 марта 2018 года в Сколково. Журналистам и инвесторам продемонстрировали передачу данных в диапазоне 3,5 ГГц, показав трансляцию видеосигнала в формате 4K с помощью 5G-модема. Кроме того, на площадке в Сколково была продемонстрирована возможность совместного использования частот 1,8 ГГц (ресурс «Мегафона») и 3,5 ГГц для передачи данных в стандарте LTE-A. Эта демонстрация показала принципиальную возможность совмещения технологий связи четвертого и пятого поколений.

Владимир Леоненко, генеральный директор, Лео&Ко
Юй Синьган, директор отдела планирования направления беспроводных технологий, Huawei в России
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!