4.1.8.6 Протоколы 4G-5G-6G

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:

• Поддержка многих приложений и сервисов (Support for Multiple Applications and Services) — эффективная поддержка уникастных, мультикастных и широковещательных сервисов и приложений, которые на них базируются. Классы сервиса включают в себя услуги, чувствительные к задержкам, чувствительные к потерям и сервисы "наилучшего возможного".
• Quality of Service (качество обслуживания) — совместимые приложения управления и алгоритмы диспетчеризации, независимые от ниже лежащих инфраструктур и многообразия операторов.
• Детектирование сети и выбор сети — Мобильный терминал, который использует много радио-технологий, допускает участие многих сетей одновременно, осуществляя подключение к лучшей сети с наиболее приемлемыми параметрами (цена, QoS и пропускная способность).
• Непосредственное переключение и непрерывность сервиса — “Базовая станция”, которая поддерживает внутренние и внешние переключения, гарантирует непрерывность сервиса с нулевыми или минимальными перерывами обслуживания, без заметного падения качества обслуживания. Поддержка этой функции требует непрерывного прозрачного функционирования сервисов и различных техник доступа от WiFi к OFDMA.
• Технологическая и топологическая независимость — Сервисные возможности переходных поколений технологий. Сервисы не требуют топологических или технологических ограничений, желательно обеспечить “Всегда наилучшее соединение”.

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.

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

Технология 5G и 6G

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.

Эксперты считают (2020 год), что если развивать 5G в диапазоне 3,4–3,8 ГГц, то первую положительную расчетную прибыль в размере 44,2 млрд руб. телеком-компании получат уже в 2027 году, а к 2030 году показатель составит 290 млрд руб.В РФ этот диапазон занят силовыми структурами. Наиболее вероятым диапазоном в РФ станет 4,8-4,99 ГГц.

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).

Исследовательская группа 5G рассматривает перспективу появления стандарта 6G (см. "Get ready for upcoming 6G wireless, too", Patrick Nelson, Network World, Jun 28, 2018). Новый стандарт будет использовать частоту от сотни гигагерц до терагерца, его появление прогнозируется в пределах 10 лет. В 2020 году ожидается освоение 20ГГц.

Технологии на основе 4G LTE не дали заметного выигрыша в надежности по сравнению с существующими беспроводными приложениями (см. "6G will achieve terabits-per-second speeds", Patrick Nelson, Network World, Sep 12, 2018). Популярности 4G не способствуют и миллисекундные времена отклика каналов. Переход на 5G дает некоторое улучшение, но этого считается недостаточно. Появление технологии 6G ожидается приметно к 2030 году. В Финляндии планируется государственное финансирование программы 6G в объеме 290 млн долларов, завершение проекта намечено на 2037 год. В настоящее время ведутся разработки IEEE стандарта 802.15.3D для частотного диапазона 252GHz - 325GHz. Система будет работать с длинами волн менее одного миллиметра. НИР-ОКР начнутся в 2020 году. Среди приложений ожидается мониторирование здоровья людей, анализ состояния воздуха, окружающей среды и детектирование вредных примесей в атмосфере. В проекте намерен участвовать институт Electronics and Telecommunications Research из Южной Кореи. В США для этой цели выделяются частоты в диапазоне от 95 гигагерц до 3 ТГц. В работы над технологией 6G значительные ресурсы намерен вложить Китай.

Производство российского ПО для сетей 5G должно начаться в 2022 году.

Исследователи университета Oulu считают, что технология 6G позволит работать на частотах терагерцного диапазона с задержками отклика порядка микросекунды (см. "6G will achieve terabits-per-second speeds", Patrick Nelson, Network World, Sep 12, 2018). Возможно применение технологии для определения оптимального места для проведения вычислений.

Продолжаются лабораторные исследования возможностей технологии 5G (см. "5G в лабораторных условиях: мировые тенденции в изучении связи нового поколения", ICT.Moscow, 28 октября 2020). ICT.Moscow проанализировала работу 116 таких площадок (Кмиай, Южная Корея). Ожидается, что и в России в ближайшее время появятся такие центры. На рис. 5 показано распределение случаев использования технологии 5G в разных областях. на первом месте находится VR/AR, далее следуют IoT, ИИ, робототехника и облачные технологии.

Рис. 5. Использование 5G для виртуальной и дополненной реальности, а также в других областях

Возможности 5G часто пытаются применить в мультимедиа, транспорте, промышленности и в "умных" городах. Смотри рис. 6.

Рис. 6. Применения 5G

В ноябре 2020 года планируется открытие на ВДНХ (Москва) демонстрационного центра 5G для тестирования решений задач в сфере транспорта, медицины, городской безопасности и образования. Поставщиками оборудования будут компании Ericsson и Ростех ( ICT.Moscow, выпуск 40 (138)). Общее число 5G-лабораторий в мире выросло за последние три года на 87%.

Компания Bloomberg сообщает, что Apple нанимает инженеров для разработок в области связи следующего поколения — 6G (см. "Отрасль переходит в Clubhouse, новая модель дистрибуции eSIM и перспективы России на рынке 6G", ICT.Moscow, выпуск 6 (152)). «Сколтех» в феврале 2021г опубликовал список тех, кто в мире изучает 6G, и в него помимо различных университетов и государственных исследовательских групп по всему миру вошли компании Samsung и LG (Южная Корея), Sony (Япония), Xiaomi (Китай), Intel (США).

В больнице Реннского университета дистанционно провели операцию на сердце при помощи 5G и AR. Компания Endeavor Energy планирует использовать дроны 5G для оперативного выявления повреждений сетей электропередачи в Новом Южном Уэльсе. (см. ict.moscow/5G; апрель 2022г)