previous up next index search
Previous: 4.1.8.5 Протокол 3G-H.324M    UP: 4.1.8 Сети IEEE 802.11
    Next: 4.1.8.7 Беспроводные сети ZigBee и IEEE 802.15.4

4.1.8.6 Протокол 4G-5G

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Эволюция беспроводных технологий
Ключевые атрибуты 4G
Технология 5G

Мобильные сервисы в 2010 году вышли на новый уровень, приняв на вооружение новое поколение технологии - G4. Смотри 4G: The What, Why and When

Поколение G4 предоставляет пользователям большее быстродействие, а также мультимедийный сервис, включая цифровое телевидение.

Стандарты не определяют строго, что такое G3 и чем отличается G4 от G3.

IMT-2000 представляет собой термин ITU для определения глобально узнаваемых 3G-технологий, использующих частотные диапазоны IMT. К технологиям, отвечающим этим требованиям, относятся WCDMA, CDMA2000, TD-CDMA и EDGE.

За последнее десятилетие в радио-технологиях реализовано несколько усовершенствований, произведен ряд модернизаций и в программном обеспечении. Все это в совокупности классифицируется как 3G-технологии. Для того чтобы обозначить их свойства, технологии называются (неофициально) именами 3G, 3.5G и 3.9. Различные 3G технологии используют более или менее один и тот же репертуар сервисов.

Улучшения 3G классифицированы как антенные техники или схемы кодироки/модуляции. Для получения высоких скоростей передачи и малых задержек применено несколько новых радио-технологий. Сюда входит Space Division Multiplexing (мультиплексирование с пространственным разделением через множественный вход/множественный выход (MIMO)), Space Time Coding (STC - пространственно-временное кодирование), использующие более высокий уровень модуляции и схемы кодирования, сложную систему формирования и управления пучка излучения и ослабление межячеечной интерференции.

Из них, MIMO и формирование пучка представляют собой продвинутые антенные технологии. По существу MIMO формирует несколько каналов для передачи пользовательских данных, что приводит к большей пропускной способности. Это аналогично мультиплексированию с делением по длине волны (WDM), используемым в оптоволоконных сетях. Технологии формирования профиля радиоизлучения увеличивают усиление и увеличивают емкость сети. Свойства диаграммы направленности настраиваются под требования клиента, чтобы получить нужные параметры на определенное время. Некоторые поставщики комбинируют разные технологии, чтобы предложить архитектуру MIMO с нужной диаграммой, которая предоставляет дополнительный выигрыш за счет управления сгруппированными сигналами, что может дать некоторое преимущество на границе ячейки.

Технологии кодирования и модуляции улучшают число передаваемых бит в единицу времени за счет применения турбо кодов и/или QAM более высокого порядка. Эти технологии способствуют расширению полосы, как этого требуют современные сети. Кроме того, технологии, которые сокращают интерференцию, также способствуют увеличению емкости сетей.

Сети поколений выше 3.5G будут использовать варианты Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM - ортогонального мультиплексирования по частоте). WiMAX использует OFDM как в нисходящем канала - от станции к мобильному клиенту, так и в восходящем OFDM/TDM. 3G Long Term Evolution (3G LTE - долгосрочная эволюция 3G) использует OFDMA в нисходящих каналах, и SC-FDMA - в восходящих, чтобы избежать высоких отношений пиковых значений к средним PAR (Peak to Average Ratio) OFDM. Это предполагает снижение требований к батареям питания мобильных терминалов.

В то время как CDMA хорошо подходит для голоса, OFDM может быть лучше для транспортировки данных. На рис. 1 показана эволюция мобильных технологий.

Рис. 1. Эволюция мобильных технологий по уровню сервиса.

Ниже на рис. 2 представлена эволюция беспроводных технологий.

Рис. 2. Эволюция беспроводных технологий по уровню сервиса

CDMA - Code Division Multiple Access (кодовое мультиплексирование)
EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution
FDD - Frequency Division Duplex
GPRS - General Packet Radio Service
GSM - Global System for Mobile
HSDPA - High-Speed Downlink Packet Access
HSPA - High-Speed Packet Access
HSUPA - High-Speed Uplink Packet Access
LTE - Line Terminal Equipment
LCR - Low Chip Rate
OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
TDD - Time Division Duplex
TD-SCDMA - Time Division — Synchronous Code Division Multiple Access
UMB - Ultra Mobile Broadband
WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access
WiBro - Wireless Broadband
WiMax - World Interoperability for Microwave Access

На левом поле рисунков 1 и 2 проставлены наименования поколений беспроводного сервиса

Стандарты CDMA используют мультинесущую CDMA (MC-CDMA) совместно с несколькими другими радио-технологиями, чтобы получить скорость до 288 Мбит/с в нисходящем канале (базовая станция - мобильный клиент). Стандарты UMTS (Universal Mobile Telecommunications System - эволюционный путь для GSM) предназначены для обеспечения скорости около 182 Мбит/с в нисходящем канала посредством техники HSPA+ (High-Speed Packet Access). Мобильный WiMAX, или 802.16e, рассчитан на скорость до 79 Мбит/с.

Заметим, что все скорости передачи данных рассчитаны на полное покрытие области ячейки, при использовании, по крайней мере, 20 МГц полосы и включает различные служебные биты, уменьшающие доступную полосу мобильных клиентов.

Стандарт ITU IMT-A. ITU является авторитетом, который определяет, что собой представляет 4G.

Системы IMT-A обеспечивает параметры, которые превосходят IMT-2000 по порядку величины. Системы 3G, базированная на системе IMT-2000, позволяет получить скорости около 1–5 Мбит/с.

Концепция IMT-A, представленная в документе ITU IMT-2000, гласит: “Ожидание того, что будет необходимость в коммерческих сервисах в мультипользовательской среде с пиковыми скоростями до 100 Мбит/с для высокомобильных пользователей, и до 1 Гбит/с для клиентов с низкой мобильностью или стационарных, концепция IMT-A требует обязательной обратной совместимости с предшествующими системами".

ITU рассматривает технологию WiMAX, как технологию IMT-2000. Рассматривается возможность включения в IMT-2000 технологии IPOFDMA. Один из вариантов этой технологии используется в мобильном стандарте IEEE 802.16e, обычно называемом WiMAX. В результате WiMAX получил статус 3G-технологии. Существуют и противоположные утверждения, что WiMAX является 4G-технологией, здесь важно то, что стандарты IEEE, содержащиеся в WiMAX, приобрели официальный статус стандарта от ITU.

WiMAX (IEEE 802.16e) получил признание в качестве мобильной широкополосной технологии, в основном в промышленном секторе, таком как продвинутые грид и оборона, его спектр приложения остается противоречивым. В результате он остается не вполне признанным в некоторых странах, которые бы хотели строго следовать рекомендациям ITU (имеется в виду Китай). Частота 2.5 ГГц включена в стандарт WiMAX и авторизована для этих целей в США, России и Великобритании, но остается зарезервированной IMT-2000 для WCDMA в других странах.

4G намерена изменить парадигму коммуникации пользователь-сеть за счет подключение отдельного устройства к отдельной сети. Так как ожидается, что 4G будет более чем 3G телефонный сервис, она допускает подключение к сети всех видов портативных устройств.

Характер ABC (Always Best Connected) 4G обеспечивает для устройства сервис с наиболее удобной сетью. Получение широкополосности для всех типов приборов клиента является основной целью 4G.

На рис. 3, опубликованном ITU, представлена версия IMT-A различных систем доступа, предназначенных для реализации сервисов.

Рис. 3. Предоставление услуг в представлении ITU

Существуют четыре уровня доступа:

  1. Фиксированный (т.e., DSL, кабель, волокно) — кабельное подключение к сети
  2. Персональный (т.e., Bluetooth, UWB) — машины, сотовые телефоны, смартфоны
  3. Hot-spot (т.e., Wi-Fi/802.11) — рестораны, кафе, за городом
  4. Сотовый (т.e., UMTS, WiMAX) — высоко мобильные пользователи

Группы стандартов, покрывающие существующие технологии, упомянутые выше, работают уже на уровне следующего поколения, что включает в себя большие скорости, лучшее сетевое интегрирование и расширение спектра сервисов.

Взаимодействие между сетями не ограничивается контактами внутри сети или виртуальными связями вне сети для целостности сервисов, но реализует комплексные функции биллинга, безопасности, конфиденциальности, качества обслуживания, сетевой гибкости, диагностики отказов и восстановления, предоставляя весь комплекс услуг непосредственно пользователю. Эта версия исключает необходимость для пользователя, знать что-то о сети (оператора, топологию, радио и другие технологии).

Ключевые атрибуты G4

Базируясь на требовании непосредственного взаимодействия между сетями, 4G характеризуется следующими ключевыми атрибутами:

Версия 4G определяет основы для продвинутой инфраструктуры, состоящей из архитектуры, ядра технологий и открытых интерфейсов для построения, использования и предоставления приложений конечным пользователям. 4G является больше чем большие скорости доступа - это совершенно новая технология.

Стандарты CDMA используют технику мультинесущих CDMA (MC-CDMA) наряду с несколькими другими радио-технологиями, чтобы получить до 288 Мбит/c в нисходящем канале (базовая станция по отношению к мобильному клиенту). Ожидается, что стандарты UMTS обеспечат скорость 182 Мбит/с в нисходящем канале за счет технологии HSPA+. Мобильный WiMAX, или 802.16e может дать по максимуму 79 Мбит/с.

Полоса  10кбит/c50кбит/c1 Мбит/c100Мбит/c
Процессор8086RISCGPU/NPUМногоядерный (CMT)
Виртуализация
ТехнологииAMPS
TACS
NMP
GSM
TDMA
CDMA
GPRS
EDGE
IS-95B
CDMA2000
W-CDMA
UMTS
HSDPA
MC-CDMA
WiMax
W-CFDM
ПоколениеАналогЦифраЦифровое мультимедиаМультимедиа и ТВ
1G2G2.5G3G4G
Годы80-ые90-ые2000-ые2010-ые

Рис. 4. Эволюция процессоров и DSP-технологии для 4G


Технология 5G

Компания Ericsson сообщила о начале разработки мобильной технологии 5G "5G will have to do more than send speed up your phone, Ericsson says", Stephen Lawson, October 17. Стандарта 5G пока не существует, эта технология должна появится на рынке около 2020 года. Эта система будет допускать до 10 мобильных соединений одновременно. Принимая во внимание, что к тому времени будет 5 млрд. клиентов, сеть должна будет обслуживать до 50 млрд. одновременных контактов. Дополнительную нагрузку будет создавать Интернет вещей. Полоса пропускания 5G будет в 10 раз больше, чем для у 4G и теоретически может достичь 10Гбит/c. Технологии 4G и 5G будут длительное время сосуществовать. Устройства 5G должны будут быть способны поддерживать до 50 ГБ на одного клиента.

В NASA обсуждаются перспективы Интернет в космосе. Эксперты ожидают там меньший уровень BER (см. "NASA says first space Internet test 'beyond expectations'", Sharon Gaudin, October 22, 2013). Среди коммуникационных технологий рассматриваются высокопроизводительные лазерные каналы. Лазерный канал Земля-Луна может иметь пропускную способность 20Мбит/c, канал космический корабль - Земля может обеспечить скорость 622 Мбит/с (в 6 раз больше, чем может дать радиоканал луна-земля). Лазерные коммуникации пригодны и для Марса и гарантируют лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с радиоканалами. Для радио канала наибольшая скорость передачи может быть 6 Мбит/c (при минимальном расстоянии между Марсом и Землей). NASA намерена испытать космический лазерный канал в 2017 году (для околоземной орбиты).

Компании Samsung Electronics и мобильный оператор Южной Кореи SK Telecom намерены испытать в ближайшие дни беспроводный канал с полосой 7,55 Гбит/с (см. "Samsung, SKT to demonstrate 7.5Gbps wireless data next week", Martyn Williams, IDG News Service, Feb 24, 2015). Эти компании надеются создать к 2018 году 5G-сеть (Олимпиада в Токио).

Previous: 4.1.8.5 Протокол 3G-H.324M    UP: 4.1.8 Сети IEEE 802.11
    Next: 4.1.8.7 Беспроводные сети ZigBee и IEEE 802.15.4