Роль МСЭ-R в процессе стандартизации систем сотовой связи (IMT-2000, IMT-Advanced, IMT-2020).

Как создвавались радиоинтерфейсы IMT-2000 (3G).

Стоит вспомнить историю. Когда создавались первые системы 3G, еще не было 3GPP. И МСЭ, как площадка, которая осуществляла сбор предложений, вынуждена была взять на себя работу по стандартизации. МСЭ наладила весьма эффективный диалог с региональными регулирующими организациями в США, Европе, Японии, Китае и Корее.

Тот же процесс, но на более детальном уровне повторился и с сетями IMT-Advanced, т.е. LTE-Advanced и Mobile WiMAX 2. Даже более детальный.

Несмотря на наличие 3GPP МСЭ выступила площадкой, которая позволила более четко сформулировать требования. 

Что же происходит по части разработки радиоинтерфейсов IMT-2020 (5G)?

В МСЭ начался процесс по подготовке IMT-2020 или, иначе говоря, 5G. Процесс сложный, в него вовлечены практически все вендоры, практически все стандартизующие организации, множество R&D инженеров. Информация концентрируется в МСЭ, цель этой работы - выработать единую платформу. Возможны сдвиги по шкале, потому что даже МСЭ сталкивается с проблемами финансирования. В любом случае, чтобы завершить разработку спецификации, должны быть приняты решения в области частот. Это очень важный шаг в ходе разработки систем IMT-2020 / 5G.

Эволюция стандартов подвижной связи в МСЭ-R

На слайде показан по-сути весь процесс, вся история, которая произошла с IMT. Начиналось все еще с pre-IMT, это GSM, EDGE (мало кто знает, что EDGE тоже относится к 3G), CDMA2000, LTE тоже относится к 3G, позднее оно эволюционировало в LTE-A (4G). Как ни парадоксально, все эти годы мы наблюдали постепенно уменьшение разнообразия радиоинтерфейсов, используемых системами подвижной мобильной связи и ШПД.
Теперь будем наблюдать обратный тренд. Число радиоинтерфейсов в 5G начнет расти. Причем как за счет роста числа "своих" радиоинтерфейсов IMT, так и за счет других стандартов, например, Wi-Fi, которые тоже войдут в понимание систем IMT-2020. Причина тому - высокие требования, которые ставятся перед системами IMT-2020. Решить все задачи с помощью одного универсального радиоинтерфейса практически невозможно. Нужно будет использовать все наработки, но в рамках единой концепции.

Что происходит сейчас? Идет процесс формирования общего взгляда на требования к IMT-2020 (5G)

Кто разрабатывает новый стандарт:

• Stanford CIS
• US SWARN
• NYU Wireless
• WIN LAB
• 5G UK
• 5G PPP
• METIS
• 5G RUS
• IMT-2020
• 5G Forum
• MOST 863
• WISDOM
• 2020 and beyond

(Прим.АБ: кто-нибудь слышал о 5G RUS? Кто это? Где это? Кто входит в группу? Кто финансирует ее деятельность?)

В целом ситуация напоминает ту, что сложилась перед стандартизацией 3G. Несмотря на то, что есть 3GPP, работа идет на региональном уровне, в региональных проектах. Прежде всего, это такие регионы, как Южная Корея, Япония, Китай.  Европа, наблюдая столь мощное наступление компаний в Азии, организовала еще один мега-проект под названием 5GPP. Он призван усилить позиции европейской экономики и европейской науки в борьбе за разработку IMT-2020.

Работа в США идет, но пока концентрируется на решении отдельных задач, нежели на применении комплексного подхода. Впрочем, это может в дальнейшем измениться.

И все это сводится сейчас в МСЭ-R в рабочую группу РГ 5D, в которой я принимаю участие.

Требования к сетям IMT-2020 по покрытию и емкости.

Сейчас вырабатываются высокоуровневые требования к сетям 5G в сравнении с системами прежнего поколения. Здесь важно отметить, что если раньше требования были в основном сосредоточены вокруг скорости доступа, то сейчас значительное внимание уделяется качеству. Прежде всего, вопросам качества покрытия на краях сот (cell edge rate. Скорее всего только в условиях 5G можно будет решить эту проблему.

Требования к возможностям IMT-2000 варьируют от региона к региону.

Каждая региональная организация по-своему подает увеличение возможностей в связи с переходом к 5G. При этом 5G в качестве глобальной и единой системы должна "впитать" всё.

(Прим. АБ: Надписи на слайде.
METIS, Европа, цели создания новых систем IMT:
- очень высокая емкость сети
- поддержка очень высоких пиковых скоростей
- повсеместная поддержка массовых соединений M2M
- поддержка различных применений в любых условиях и районах
- снижение эксплуатационных затрат, максимальная энергоэффективность и устойчивость

5G Forum, Корея
- поддержка высоких стандартов безопасности
- более эффективное использование спектра
- поддержка самоанализа и самоадаптации в сети
- поддержка высокой мобильности при сохранении высокого качества услуг
- очень малые задержки и высокая надежность).

(Прим. АБ: А вот такие требования к IMT-2020 предъявляют в Китае. К сожалению, картинка почти не читается, но эта "ромашка" требований или ее аналог "куб возможностей" известны - в ней и "пользовательский опыт", и "плотность трафика данных на кв.км", и "пиковая скорость передачи", и поддержка мобильности "км/ч", и задержки (мс), и плотность подключений - число подключенных устройств на кв.км. - это лепестки физических возможностей. Цветок "зиждется" на таких возможностях, как спектральная эффективность, энергоэффективность, ценовая эффективность).

Требования по энергоэффективности - новая метрика для построения и работы сетей, Дж/бит.

Говоря об энергетической составляющей, стали оценивать решения метрикой Джоулей/бит (Дж/бит). Такой проект в США заставил по-иному взглянуть на процессы моделирования будущих сетей. Теперь сеть проектируется не только с учетом спектральной эффективности, но и для обеспечения энергетической эффективности, причем с учетом транспортной сети. Куда поставить соты, как организовать транспорт, как минимизировать энергетику на каждом этапе. Возможно в будущем на каждой базовой станции. помимо принятия решения как лучше обеспечить трафик, будет также приниматься решение, как лучше обеспечить экономию электричества.
 
Вот еще одни предложения - это 5G Forum, Корея.

Здесь больше деталей для тех, кто непосредственно разрабатывает системы.

Думаю, аналогичные дискуссии идут и в других региональных проектах. Фактически это система требований верхнего уровня, которые отслеживают операторскую деятельность, пользовательские  аспекты, сервисы. Они стыкуются с многочисленными требованиями в радиосети, в транспортной сети. Эти аспекты пересекаются, поэтому задачка получается многомерной. Решать ее приходится с помощью технологических решений.

5G - нетривиальная задача. Хотя она и "эволюция", но шаг придется делать более существенный, чем при переходе от 3G к 4G.

Ключевые технологии для использования в системах IMT-2020 и их место в инфраструктуре сетей (IMT-2020, Китай).

(АБ: Подписи
Ключевые технологии:
- беспроводной трансмиссии
- сети доступа
- ядра

(АБ: Слева-направо. Улучшение спектральной эффективности, сети с ультра-выскоой плотностью, конвергентная гетерогенная сеть, связь "устройство-устройство", улучшенные технологии M2M, связь в высокочастотных диапазонах, другие сценарии и проблемы.)

Наглядный подход, тоже в Китае сформулировали. Есть система - ядро, сеть радиодоступа и опорная сеть (она может быть беспроводной). Инженеры должны будут придумать, какие изменения вносить в эти компоненты, чтобы удовлетворить набору требований, которые показаны на картинке вертикальными прямоугольниками. Картинка показывает, какие копоненты следует дорабатывать, чтобы выполнить те или иные требования.

Уже несколько раз сегодня обсуждалось, что неизбежное направление развития ядра сети и сети доступа пойдет по пути внедрения гибкой облачной RAN.

Концепция "Centralized RAN" (централизованная радиоподсистема) должна будет переродиться в подход "гибкая радиоподсистема" (гибкое разделение функционала).

(Прим.АБ: На картинке слева показано, какой функционал исполняется на стороне базовых станций в распространенной сейчас архитекутре сети радиодоступа, а справа - то, что может быть вынесено в централизованную часть (пул процессинга сигналов). Правый нижний квадратик - то, что делает радиоголовка в случае максимальной децентрализации - это случай малых сот. В зависимости от исполняемого сценария, фунционал  может перераспределяться).

В зависимости, например, от транспорта (большая задержка или малая задержка) могут использоваться различные схемы оптимизации. Если задерка мала, можно использовать CoMP и совместную обработку. Если задержка велика, использовать традиционную схему interference cancellation. Все это должно работать на одной платформе. Управляться единой системой. в 5G все это должно "взлететь".

Несмотря на то, что отдельные элементы уже есть, для того, чтобы заставить систему работать, как отлаженная машина, предстоит потратить много усилий специалистов.

Многовекторное развитие радиоинтерфейсов IMT-Advanced и IMT-2020. Я постарался разбить технологические направления различных радиоинтерфейсов, которые могут разрабатываться, поскольку пока нет единого видения.

В полосах частот ниже 6 ГГц мало революционного, скорее можно говорить об эволюции существуюшего - это развитие активных антенн и 3D beamforming, прямая связь между терминалами - D2D (прежде всего для спец.пользователей), развитие темы малых сот, развитие CoMP / массивных MIMO для распределенных базовых станций, развитие подавления соканальных помех в терминалах (interference cancellation), развитие агрегации несущих, в том числе, в комбинации FDD и TDD, в частности интересная идея использования TDD в аплинке.

В совсем новых полосах частот, которые могут быть идентифицированы в диапазонах ниже 6 ГГц и выше 6 ГГц до примерно 20 ГГц. На ближайших ВКР15 или ВКР17. Это то, что ранее уже говорилось, т.к. задействование неортогональных схем радиодоступа. Развитие eICIC, в том числе для одновременного приема и передачи информации на одной частоте.
Создание малых сот без контрольного трафика.

В более высоких диапазона частот (скажем, от 20 ГГц), будет, возможно возвращение к более простым схемам модуляции и кодирования, к схемам мультиплексирования (TDMA / FDMA), но при использовании широких каналов (значительно более 100 МГц).

Естественно нужно будет "срезать углы", вводить новый короткий (суб-миллисекундный фрейм).

Конечно же потребуются массивные антенные решетки без которых невозможно будет организовать поддержку MIMO и обеспечить дальность связи. 

Будущий пункт повестки дня ВКР-18/19. Повестка еще вырабатывается, предложения собираются. Через год картина прояснится. Здесь несколько предложений по различным полосам частот. Различные требования к ширине каналов. Есть нестандартизованное пока что простейшее решение выбора лучей.

Есть результаты испытаний прототипов IMT-2020 Samsung в диапазоне 28 ГГц, они хорошо задокументированы.  Они показали практическую возможность реализации в городских условиях в том числе внутри помещений системы 5G в этом диапазоне. Если есть прямая видимость базовой станциий (LOS), то даже через окно, достаточно глубоко внутрь помещения такой сигнал "пробивает". 

Предварительные оценки по полосам частот

ВКР будет рассматривать полосы частот не только от 6 ГГц, но и ниже 6 ГГц. Будет также рассматриваться от 6 до 20 ГГц. Здесь будет что-то миграционного плана, малые соты, не столь широкие полосы. Для кардинального повышения пропускной способности требуется переход в более высокие полосы частот.

Частоты, которые сейчас используются для нелицензируемых служб, могут быть переиспользованы во всех трехрайонах МСЭ-R.

Нельзя исключить, что будут новые распределения частот подвижной службе. Это потребует больше времени и может создать оппозицию других действующих служб.

Влияние технических особенностей на выбор и согласование полос частот

Здесь хочется упомянуть о небольшой технической особенности, которая может оказать существенное влияние на процесс выбора частотных диапазонов. Дело в том, что антенная решетка в терминале, да и на базовой станции, до какой-то степени фиксированная по размеру. Это связано с тем, что структура антенной решетки жестко связана с диапазоном частот, а ее размеры должны быть порядка нескольких квадратных сантиметров. В связи с тем, что антенны пока что хорошо работают при использовании размера в половину длины волны. (Есть конечно и другие методы - нерегулярный, широкополосный бимформинг, но пока это все нереализуемо).  При традиционном подходе нужна обычная антенная решетка фиксированного размера. И размеры по-сути определяют диапазон, гибкость там минимальная.

С другой стороны экранирование корпуса смартфона даже таким экраном, как рука пользователя, создают потери, которые практически перекрывают возможность связи. Для борьбы с этим эффектом, придется устанавливать в абонентское устройство нескольких антенных решеток, чтобы как бы человек не держал устройство, была бы хотя бы одна решетка, работающая в условиях нормальных потерь.

Поместить в терминал большое число антенных решеток под разные диапазоны частот практически невозможно. Скорее всего это приведет к тому, что сократится число диапазонов, поддерживаемых терминалом. Возможно до пары диапазонов. Возможно что-то придумают еще. Но похоже мы возвращаемся к временам, когда была проблема даже 4 диапазона GSM поддержать.

Поэтому на ВКР18/19 встанет вопрос максимальной гармонизации высокочастотных полос частот, чтобы обеспечить возможность создания глобальных терминалов, чтобы рынок 5G быстро стартовал. Конечно, для этого также потребуется уделить внимание вопросам совместимости с действующими службами, чтобы они были одинаковыми по всем странам. Если в 70-80 ГГц проблем нет, то до 30 ГГц проблем много, а до 20 ГГц спектр очень сильно загружен. И борьба будет нешуточная. Поэтому вопрос выделения глобальных полос частот на ВКР18/19 будет стоять остро.

==

Все материалы встречи LTE Russia & CIS 2014