Операторски Технологии

Дългият път към 5G мрежите

Владимир Владков

5G е следващата голяма крачка в областта не само на мобилните мрежи, но и на начина на използване на мобилните технологии от цялото общество. За разлика от предишните поколения мобилни технологии, 5G ще бъде далеч по-всеобхватна, като даде възможност за нещо повече от подобряване на скоростите за предаване на данни и по-висока спектралната ефективност. Тя ще промени основно начина за разполагане, работа и защита на мрежите.

Основните цели пред параметрите на 5G са ясни - по-голям капацитет, по-ниска латентност, по-висока надеждност, по-гъвкаво свързване и мобилност на устройствата, които да позволят нови мрежови възможности и услуги, немислими досега за мобилните оператори. Визията 5G обхваща 3 мащабни случая на използване: подобрена мобилна широколентова връзка; масови комуникации между машини, които ще позволят свързването на милиони устройства тип Интернет на нещата (IoT); и комуникации със свръхниска латентност за критични приложения.

Широкото разнообразие от устройства и мрежови трафик, които 5G ще поддържа, изисква радикална промяна на днешните мрежи. Едно от най-големите предизвикателства е да се създадат мрежи, които да могат да отговарят на всички изисквания на 5G през цялото време, особено когато все още не са се материализирали устойчиви бизнес сценарии.

Мрежите, изградени с помощта на специализиран хардуер, са по-статични, тромави и скъпи за управление. NFV и SDN поемат функционалността, интегрирана в отделни устройства - като елементите Evolved Packet Core (EPC) или мрежа за радиодостъп (RAN) - и я правят достъпна като виртуален софтуер, работещ на отворени стандартни изчислителни платформи в центровете за данни. Това е начинът, по който доставчиците на хипермащабируеми облачни услуги реализират своите центрове за данни (напр. Facebook, Google и др.).

Мобилните оператори започнаха да виртуализират мрежовите функции от опорната мрежа към RAN сегмента. Предимствата на тази виртуализация включват намаляване на капиталовите и оперативни разходи, повече гъвкавост и бързо пускане на нови услуги на пазара. NFV дава възможност на операторите да мащабират мрежовите ресурси според заявките за тях, вместо да преоразмеряват мрежата така, че тя да посрещне неочаквани скокове на трафика.

Визията за 5G възприема трансформационните промени към NFV и SDN, които са неразделна част от възможността за нови начини за внедряване на функционалности в мобилната мрежа. Например, NFV и SDN ще подкрепят мрежовите срезове (network slicing), което е ключова концепция за 5G. При „мрежовите срязвания“ мрежовите ресурси са разделени или „нарязани“ между множество услуги или потребители, така че да осигурят точното „качество на изживяването“ (QoE), без да са засегнати от онова, което получават другите абонати.

 

Периферни изчисления

Друга радикална промяна в мобилните мрежи е наложителната миграция на работните натоварвания към периферията на мрежата. Периферни изчисления с многопотребителски достъп (Multi-Access Edge Computing - MEC) е фундаментално нова концепция в 5G и е основа за поддръжката на приложения, изискващи много ниско времезакъснение.

В традиционната мобилна мрежа трафикът и от глас, и от данни се обработват в централизираната опорна мрежа. Трафикът първо се агрегира от мрежата за радиодостъп, пренася се до опорната мрежа, обработва се в ЦОД и след това се изпраща обратно към крайното потребителско устройство. Този остарял дизайн на мрежата не може да отговори на изискванията за малка латентност и голяма надеждност.

Идеята на MEC е да се създадат среди за ИТ услуги, с други думи мини центрове за данни в RAN сегмента. Чрез разпределение на изчислителната мощ и ресурсите за съхранение по-близо до потребителя операторите могат значително да намалят латентността, както и да се сдобият с анализи на мрежата в реално време, така че да оптимизират предоставянето на услуги за данни. Това намалява и проблема с капацитета на бекхол мрежите, тъй като към опорната мрежа ще се изпраща по-малко трафик.

Приложенията, които биха се възползвали от концепцията MEC, включват Интернет на нещата, кеширане на данни, видео анализи и добавена реалност. Точно както мрежите за доставка на съдържание (CDN) кешират съдържание близо до мястото, където са неговите потребители, така и другите приложения могат да се възползват от близостта си до крайния потребител. Но разпределените ИТ натоварвания и препращането на трафика в периферията изисква нов дизайн на мрежата. Пропусквателната способност именно в периферията трябва да се увеличи с помощта и на повече „решетъчна“ (mesh) свързаност. С какви технологии обаче ще „въоръжат“ операторите доставчиците на решения и как тези технологии са дефинирани в стандартите?

 

Стандартите 3GPP

В бързопроменящия се свят на мобилните телекомуникации основна роля за развитие на технологиите имат стандартите. Индустриалната организация 3GPP (3rd Generation Partnership Project) представи наскоро версия 15 на своя стандарт (Release 15), с който официално обяви началото на новата ера на петото поколение телекомуникации: 5G.

Но старите технологии все още се внедряват и пазарът разчита на тях. Сред тях LTE (Long Term Evolution) играе ключова роля за проникването на 4G (четвърто поколение), тъй като бе пуснат в търговската експлоатация сравнително скоро, в началото на 2010 г. Само за няколко години LTE бе успешно разгърнат в редица страни по света, като стимулира цялата безжична екосистема да свърже с 4G връзка поне един от всеки 4 мобилни потребители по целия свят, тенденция, която продължава да нараства значително.

Много мобилни оператори инвестираха огромни суми в разгръщане и подобрение на LTE мрежи в прехода от 2G/3G към 4G. Това разгръщане бе инструмент за подобряване на предложенията за мобилни широколентови услуги (MBB) и за разширяване на покритието, но освен това даде възможност за ценово по-атрактивни тарифи за мобилни данни, по-голяма достъпност на високоскоростни устройства (смартфони, мобилни рутери, повече устройства за фиксиран мобилен достъп). Смяната на поколенията, която настъпва заедно с непрекъснатите подобрения и нови функции, които осигурява стандартът (като HD глас, VoLTE, VoWiFi и други), превърна LTE в най-бързоразвиващата се мобилна технология досега. Статистическите данни показват, че към юли 2017 г. общо 782 оператори са инвестирали в LTE в повече от 200 страни по света, а над 600 LTE мрежи са пуснати в търговска експлоатация и обслужват клиенти в 192 държави.

Допълнително GSMA обяви, че в края на 2016 г. над 65% от населението в света е имало мобилен абонамент, или общо 4,8 милиарда уникални мобилни абонати, а до края на 2020 г. общо 5,7 милиарда човека ще са мобилни, или 73% от населението на Земята по това време. Ако погледнем данни само за LTE, приносът на тази технология от 4-о поколение е много голям. GSA изчислява, че броят на LTE абонатите в света е бил 1,92 млрд. в края на 2016 г., а за 5 години се прогнозира делът им да се удвои до над 41% в края на 2020 г.

 

От 1G до 4G

Ерата на клетъчните телекомуникации започва с първото поколение на мобилната технология. Тя бе базирана на аналогова технология - AMPS, технология за мултиплексиране с честотно разделяне, която бе пусната в действие в началото на 80-те години на миналия век. 2G стандартът бе GSM (Global System for Mobile), който използваше модулация за мултиплексиране с повремево разделяне (Time Division Multiplexed - TDMA) и бе представена в началото на 90-те години. GSM напълно замени своя предшественик само за няколко години, но все още генерира приходи и бизнес услуги, дори в най-развитите страни. През 2000 г. дойде време за 3G, новата „разрушителна“ технология, базирана на Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA). Тя също стана доминираща на пазара заради вградените възможности за подобряване на безжичния трафик от данни. Тя обаче не успя да замени напълно 2G. В началото на 2010 новото 4G поколение започна да се внедрява с две конкурентни системи, LTE и WiMax, като и двете са базирани на модулационна схема с ортогонална честотно разделяне и мултиплексиране OFDMA (Orthogonal Frequency Division on Multiple Access). WiMax обаче имаше твърде кратък „търговски“ живот и в края на краищата бе изцяло изместена от LTE, която започна да доминира на пазара на широколентови услуги и изключително бързо се разпространи в различни вертикални сегменти – от широколентов достъп за приложения, нуждаещи се от големи обеми от данни като мобилно видео дом системи за машинна комуникация за устройства с малка мощност и малки обеми пренасяни данни.

Както споменахме, досега единствената технология, която изчезна напълно, бе 1G. Всички следващи поколения мрежи и поддържащите ги технологии като GSM/GPRS/UMTS/HSPA/LTE, все още са „живи“ и генерират бизнес за различни индустриални сектори, покривайки различни нужди от скорост на преноса на данни, цена, енергийно потребление, времезакъснение и др. С появата на поколението 5G, за което 3GPP предвижда появата на устройства в търговската мрежа около 2020 г., ще е налична прогресивна технологична смяна и преминаване на нови граници. Дали 5G ще е реална революция в технологиите или ще е по-скоро прогресивна еволюция на съществуващите, е рано да се предвиди. Който и път да поеме, нейното въздействие върху цялата телекомуникационна екосистема ще бъде наистина драматично и ще има глобален размах. Телекомуникационната система ще бъде променена радикално, а в мобилната мрежа ще има съществени подобрения както по отношение на по-високите нива на преноса на данни и по-ниската латентност, така и по отношение на маломощните системи, генерирайки разнообразни бизнес сценарии в широк набор от вертикални сегменти.

Това на свой ред ще даде възможност на всички ключови играчи в индустрията – от доставчиците на комуникационни услуги, мобилните оператори, производителите на устройства, разработчиците на мобилни приложения и много други, да предложат нови и подобрени услуги и решения. По този начин те ще отговорят на нарастващите нужди на цифровото общество, което иска да живее в свят, в който всичко е свързано през цялото време.

Всички слабости, които съществуват все още в днешните безжични поколения, както от технологична, така и от икономическа гледна точка, ще бъдат преодолени чрез подобрения на работата и нови функционалности в 5G стандартите, като фокусът е върху 3 ключови области – ултрашироколентова свързаност, критични за мисията услуги и мащабни машинни комуникации (mMTC).

LTE определено ще продължи да бъде доминиращата масова мобилна технология, докато 5G я наследи и ще се задържи много дълго време, вероятно много по-дълго време от очакваното на базата на досегашния опит. Както се вижда на фигура 2, в доклада на GSMA се споменава, че всички клетъчни технологии имат жизнен цикъл от около 20 години от пускането им на пазара до пиковото им проникване, а технологичната промяна се случва на всеки 10 г. Ако тази прогноза е коректна, пикът на LTE би трябвало да е около 2030 г.

 

Технологична миграция в мобилните мрежи (източник: GSMA)

В света:

 

2G

3G

4G

5G

2017 г.

40%

31%

29%

0

2025 г

4%

29%

53%

14%

 

В Европа:

 

2G

3G

4G

5G

2017 г.

22%

37%

41%

0

2025 г

0

19%

49%

31%


Дългият път към 5G мрежите

© Владимир Владков, Networkworld.bg

LTE е IP технология за комутация на пакети, базирана на схемата за цифрова модулация OFDMA, която поддържа ширина на каналите за пренос до 20 MHz и антенни технологии с MIMO, чрез които няколко потока от данни се изпращат и получават в даден честотен времеви диапазон чрез няколко антени. На фиг. 3 е показан пример за 4x2 MIMO, при който 4 антени излъчват от страна на мрежата, а 2 антени приемат от страна на крайното потребителско устройство.

 

4x2 MIMO антенни техники


Дългият път към 5G мрежите

© Владимир Владков, Networkworld.bg

Нека навлезем по-дълбоко в LTE технологията и нейната еволюция от по-ранните етапи, когато тя беше дефинирана в 3GPP Release 8. След това ще се спрем по-подробно на някои ключови функции, които са налични в 3GPP Release 13 и Release 14. Важността на тези две версии на стандарта е много голяма, не само защото те предоставят коренно нови функционалности, които подобряват потребителското изживяване и намаляват мрежовите разходи, но и защото „затварят“ 4G стандартите, откривайки базата за раждането на 5G, като еволюцията на новата технология ще върви паралелно.

 

Стандартизация на LTE

LTE бе представена за първи път в Release 8 на стандартите 3PPP, за да увеличи спектралната ефективност на съществуващите 3G технологии. Тя бе пусната в търговска експлоатация в началото на 2010 г. с MBB устройства категория 3 (Cat. 3), способни да осигурят скорост на данните до 100Mbps към клиента (DL) и до 50Mbps в обратна посока към мрежата (Uplink - UL). Тъй като LTE представлява архитектура с чиста комутация на пакети, а предоставянето на глас и други услуги с комутация на вериги, първоначално бе пренасочено към съществуващите CS инфраструктури, било то 3G UMTS или 2G GSM, чрез механизъм, наречен Circuit Switch Fall-back (CSFB). Във версия 9 (Release 9) гласовите услуги започнаха да се внедряват върху LTE (VoLTE) чрез специализиран гласов bearer и качество на услугите (QoS). Оттогава VoLTE бе подобрено за внедряване на нови услуги и се превърна в задължително изискване за телефонията в много мобилни оператори по света. Пропусквателната способност бе повишена и достигна Cat. 4 (до 150Mbps към клиента), използвайки цялата пропусквателна способност от 20MHz и техники 2x2 MIMO. 3GPP Release 8 и Release 9 поставиха основата на LTE стандартите и нейната мрежова архитектура позволи на технологията да е по-ефикасна при употреба на спектъра за постигна на по-високи нива на данните. При Cat. 4 обаче LTE вече бе успяла да „изконсумира“ целия капацитет от 20MHz, достъпни на канал. За да се справи с това предизвикателство и да повиши нивото на преноса на данни, поддържайки по-усъвършенстваните услуги и приложения, 3GPP Release 10 въведе технологията LTE-Advanced за подобряване на пропусквателната способност на данните и спектралната ефикасност с две важни функционалности.

Първата е техниката за обединяване на носещи честоти (Carrier Aggregation - CA), която позволява да се увеличи общият капацитет на канал чрез групиране на две или повече носещи компоненти на LTE, като те не са непременно в съседни честоти. По този начин се предават повече ресурсни блокове (основа на информацията от данни) в един агрегиран спектър. CA позволи на мобилните телекоми с ограничен лицензиран честотен ресурс за един канал (под 20 MHz, какъвто е случаят и в България), да предоставят на потребителите по-конкурентни скорости на мобилните данни.

Втората функционалност е задействането на MIMO от по-висок порядък, така че по-голям брой потоци от данни да се излъчват от мрежата и да се приемат от крайното устройство. Версии 11 и 12 (Release 10 и Release 11) добавиха още функции за подобряване на пропусквателната способност за данни и на покритието, специално в периферията на клетката. Схемите за управление на интерференцията и усъвършенствано потискане на смущенията като технологията eICIC и схемата Coordinated Multipoint Transmission (CoMP), подобряват производителността на мрежата чрез по-голям капацитет на клетката.

В Release 11 3GPP добави и специфични функции, чрез които да предпази от възможно претоварване радиомрежата за достъп (RAN), дължащо се на нарастващият брой търговски широколентови LTE устройства на пазар, който все още е доминиран от ценово по-достъпни стари технологии, особено GSM.

В Release 12 в екосистемата от крайни устройства бе добавена нова LTE категория с по-малък обмен на данни и по-ниска консумация на енергия, а именно Cat. 0. За тази категория скоростта на данните е ограничена до 1Mbps (ширината на канала за връзка е намалена до 1,4MHz в следващата версия) и приемане с една антена, като се поддържа само режим полудуплекс (и без MIMO). Новата категория Cat. 0 позволява увеличаване на мрежовия капацитет, удължаване живота на батерията чрез намаляване на енергийното потребление и в мрежата, и в крайното устройство, намаляване на трафика от данни, когато и където това е необходимо, а всичко това води до максимална ценова ефективност.

 

LTE-Advanced

Точно в обратната посока се развива стандартът за приложенията, нуждаещи се от големи обеми от данни, чрез въвеждането на 3 подобрения на работата. Обединяването на носещите (CA) бе разширено до групиране на до 5 различни носещи компонента и създаване на много по-широка „тръба“ за пренос на данни с големина 100MHz, като се дава възможност за включване на канали, използващи различни LTE модулационни схеми с времево (TDD) и честотно (FDD) милтиплексиране. Технологията MIMO вече дава възможност за до 8 нива и и подобрено насочване на лъчите. Освен това бяха увеличени модулационните схеми от 64 QAM на 256 QAM (специално за връзката към клиента), като целта е допълнително подорбяване на спектралната ефективност.

Освен това технологиите, дефинирани в по-ранните версии на стандарта, бяха оптимизирани. Т.нар. Evolved MBMS (eMBMS), наричана често и LTE Broadcast, бе представена първо във версия 6, предоставяйки механизми за broadcast и multicast, чрез които се споделя съдържание между многобройни крайни потребителски устройства. При LTE-Advanced, LTE Broadcast осигурява по-ефективен начин за предоставяне на масово медийно съдържание през клетъчни мрежи, давайки възможност за стартиране на по-динамични, мащабируеми и ценово ефективни приложения. По този начин стандартът изпълни изискването на мобилните потребители за гледане на дълги видеа и видео предавания на живо по заявка.

В Release 12 организацията започна да дава решения и на засиленото търсене за по-малка латентност от край до край за нови сценарии, изискващи познаване на местоположението. За целта бе представена функционалността за услуги, предоставяни на близко разположени устройства (Device-to- Device).

Версии 13 и 14 дефинират стандартите, които вече се включват в работната програма за LTE Advanced- Pro, която е още една стъпка напред към по-високи скорости за данните и устройства за гигабитов клас LTE. Обединяването на канали (CA) достигна до 32 броя агрегирани носещи честотни канала. Независимо, че в света няма оператор, който да разполага с толкова широко спектрален ресурс, това подобрение ясно показва, че стандартите са готови да преодолеят ограниченията на LTE и да навлязат в новата екосистема, която ще дефинира 5G. LTE-Advanced-Pro въведе и т.нар. LAA (License Assisted Access), даващ възможност за алтернативна употреба на нелицензиран спектър около 5GHz, който да допълни нуждите на операторите от по-голям честотен ресурс. LAA се базира на предишни версии на стандарта и частни решения като LTE-U (LTE за нелицензиран спектър), за да обедини безплатния нелицензиран спектър към компонента LTE в лицензирания спектър и по този начин да увеличи пропусквателната способност и капацитета, като запази надеждността. LAA обаче може да попречи на Wi-Fi технологиите, които използват същия честотен диапазон около 5GHz. За да се справи с този проблем, 3GPP „задължи“ LAA да гарантира „справедливо съвместно съществуване“ между LTE и Wi-Fi, прилагайки механизма „слушай, преди да говориш (Listen-Before-Talk (LBT). Бяха въведени и две нови технологии за LTE и Wi-Fi агрегация - LWA (LTEWLAN Aggregation) и LWIP (LTE WLAN радио интеграция с IPsec тунел), използвайки Wi-Fi като алтернативна нелицензирана спектрална технология и избягване на какъвто и да било конфликт в 5GHz, като същевременно се увеличава пропусквателната способност.

Друго важно подобрение във версия 13 е поддръжката на Massive MIMO (M-MIMO) с антенни елементи от по-висок порядък – от 8 до 64 в eNodeB, като се поддържа пълноразмерно MIMO (FD-MIMO), осигуряващо 3D насочване на лъчи, предназначено за приложения с изисквания за още по-голям капацитет. Системите M-MIMO са създадени с идеята да много по-ефективни при по-високите честоти.

Другите важни подобрения в тази версия са при машинната комуникация и обществената безопасност. Двете нови технологии за тези цели са eMTC (от enhanced MTC), която е по-популярна под името LTE-M или Category M, и NB-IoT (NarrowBand-Internet of Things), която бе създадена в LTE-Advanced-Pro с цел оптимизиране на покритието, живота на батерията и цената на устройствата IoT, но също така и за поддържане на нарастващия капацитет от огромния брой свързани малки датчици.

Версия 14 бе „замразена“ в началото на юни 2017, слагайки край на 4G стандартите. Точно в този момент 3GPP идентифицира група от сценарии за използване и изисквания за пазарни сегменти и вертикални приложения в телекомуникационната екосистема, които трябва да бъдат поддържани в бъдеще. Тези изисквания могат да бъдат класифицирани в няколко категории – подобрена мобилна широколентова свързаност, критични комуникации, изключително мащабни комуникации от машинен тип, мрежови операции, подобрения на връзката на превозните средства с всичко останало.

 

И петото поколение

От юни 2017 всичко се върти вече около 5G. Първият комерсиален старт е планиран в пътна карта за 2020 г., но основните заинтересовани страни вече правят големи инвестиции и оказват сериозен натиск за ускорено развитие на стандарта. Предварителната версия (Pre-Release 15) за първоначалните проучвания за 5G се появи в началото на последното тримесечие на 2016 г., но вече няколко компании твърдят, че имат решения, базирани на 5G технология. Първите внедрители на такива решения планират демонстрации и мащабни събития, което показва, че индустрията се развива по-бързо от стандартите. Сред показателните примери са Зимните олимпийски игри в Южна Корея и Олимпиадата в Токио през 2020 г., където се очаква всички комуникации да работят вече върху 5G.

Много работа е свършена в предишните версии на 3GPP за оптимизиране на LTE така, че да се осигури плавен преход към 5G, покривайки 3 основни вертикала - eMBB (усъвършенстван мобилен широколентов достъп), mMTC (мащабни машинни комуникации) и URLLC (ултранадеждни комуникации с много ниско времезакъснение. И макар че за всички тези приложения се твърди, че са 5G, те продължават да работят върху eLTE инфраструктури и устройства, които прогресивно ще бъдат приспособени към новите стандарти и изисквания.

Версия 15 на 3GPP бе определена като фаза 1 за архитектурата от ново поколение, а Версия 16 – за Фаза 2. Фаза 1 се фокусира върху изисквания за 5G New Radio (5G NR), като отговори на по-спешния набор от търговски потребности, но дизайнът трябва да е съвместим с бъдещия завършен стандарт, така че добавените функционалности да бъдат добавени прозрачно и в по-късните версии на стандарта. В групите за технически спецификации на 3GPP (TSG) бе решено, че 5G NR ще поддържа два операционни режима – самостоятелен (Standalone) и несамостоятелен (Non-Standalone), които ще съществуват паралелно.

  • Non-Standalone (NSA) 5G NR ще използва съществуващият LTE контрол, т.е. съществуващите радиомрежа и опорна мрежа за управление на всички функционалности на мобилното управление, както и радиопокритието, където ще бъде добавена новият 5G носещ канал. Именно тази схема бе използвана от Nokia в София при демонстрацията съвместно с Мтел на потенциалните възможности за 5G връзка. През март 2018 г. този оперативен режим бе завършен и приет, така че повече компании да започнат да тестват бизнес сценарии на различни места по света.
  • Standalone (SA) 5G NR ще използва пълния набор от контролни способности за 5G NR в рамките на новата 5G опорна мрежова архитектура, която тепърва се дефинира в 3GPP стандартите.

Наличността на честотен спектър също е на етап разгорещена дискусия между телеком индустрията и регулаторите, като евентуално споразумение трябва да улесни разгръщането на 5G бизнес сценарии в честотните диапазони 700MHz (за разширено покритие), 3.5GHz (от 3.4 до 3.8 GHz) за повече капацитет и оптимизиране на разходите, и 28GHz (от 26 до 28GHz), т.е. милиметровият обхват за ултрависок капацитет, който да е наличен в градските райони и вътре в сградите, най-често чрез микроклетки.

На Мобилния конгрес в Барселона 2018 г. бе представена вълнуваща технология за 5G малки клетки, която е съвместима с различни мрежи. Има много интересни продукти за фиксирани 5G и 5G малки клетки, които вече се използват в САЩ, но не и в Европейския съюз. Малките клетъчни мрежи изискват промяна на парадигмата в мисленето - за разходите, за разгръщането, особено за прикрепване към стълбове, бекхол свързаността и консумацията на енергия. Сега има надпревара между няколко града в САЩ, кои да станат тестови площадки за технологията.

„Повечето посетители на MWC 2018 са европейци и повечето са съгласни, че ЕС изостава от САЩ и Източна Азия (Китай, Япония и Южна Корея) по отношение на 5G. Европа някога бе лидер в областта на високите технологии за мобилна инфраструктура, устройства и услуги. Но това вече не е така, защото тук има твърде много пречки по отношение на инвестициите, иновациите и предприемачеството“, категорични са от Strand Consult.





© Ай Си Ти Медиа ЕООД 1997-2020 съгласно Общи условия за ползване

X