1.2. Общее описание технологических решений для радиоинтерфейсов сетей 5G/IMT-2020

В отличие от предыдущих поколений, где для каждого нового поколения сетей связи (2G, 3G, 4G) разрабатывался новый радиоинтерфейс, в сети подвижной связи технологии 5G/IMT-2020 планируется применять как новый радиоинтерефейс (New Radio или NR согласно спецификациям 3GPP серии 38), так и эволюцию стандарта LTE-Advanced.

Стандарт LTE-Advanced продолжает эволюционировать, приближаясь по своим характеристикам к возможностям стандарта NR. В стандарте LTE-Advanced уже реализована поддержка активных антенных систем, использование более эффективного кодирования и модуляции, агрегация нескольких частотных каналов, уменьшенная задержка на уровне радиоинтерфейса. Однако структура радиоинтерфейса NR изначально разрабатывалась для обеспечения более высоких скоростей передачи данных и меньших задержек, более эффективного использования частотного ресурса за счет:

- применения сигналов с большей шириной спектра (до 100 МГц в диапазоне до 6 ГГц и до 400 МГц в диапазоне свыше 6 ГГц);

- обеспечения минимальных задержек на радиоинтерфейсе за счет возможности увеличения частоты следования временных слотов кадровой структуры, за счет модификации протокола управления радиоресурсами;

- применения адаптивного к нагрузке временного дуплекса;

- применения более эффективных помехоустойчивых кодов;

- использования активных антенных систем миллиметрового диапазона с большим количеством элементов, узкой диаграммой направленности излучения и высокой избирательностью;

- реализации индивидуальных сценариев использования ресурсов полосы частот канала NR для абонентских терминалов различных типов и производительности (широкополосных/узкополосных абонентских терминалов WB/NB UE, абонентских терминалов с агрегацией несущих CA UE).

Несмотря на меньшую эффективность реализованных технических решений по сравнению с NR, эволюционный путь развития имеет более низкую стоимость и обеспечивает высокую скорость развертывания на основе существующей инфраструктуры, а также возможность обслуживания имеющихся терминалов LTE.

Для поддержки возможности подключения большого числа маломощных устройств в рамках реализации концепции IoT в 3GPP были разработаны такие режимы работы LTE как eMTC и NB-IoT, дополняющие возможности друг друга. Технология LTE-eMTC в большей степени ориентирована на более надежную связь с поддержкой мобильности и возможностью более высокой скорости передачи при потере в максимальном покрытии и энергетике (в силу больших скоростей передачи). NB-IoT оптимизирована для сегмента IoT, где требуются максимальная дальность связи, малые скорости и большая энергоэффективность.

Радиоинтерфейс NR играет роль ключевого радиоинтерфейса для сценариев высокой пропускной способности и малой задержки. New Radio предполагается развертывать как в нижних, так и верхних диапазонах радиочастот. Ключевыми особенностями радиоинтерфейса являются пересмотренная структура кадра с возможностью минимизации задержки до 1 мс, более широкие каналы, более эффективное помехоустойчивое кодирование и более эффективное использование сложных антенных систем.

Спектральная эффективность технологии 5G/IMT-2020 существенно выше, чем у 4G, за счет использования усовершенствованного радиоинтерфейса. В миллиметровом диапазоне радиочастот (26 ГГц) основной вклад в повышение пиковой спектральной эффективности достигается за счет применения Massive MIMO с большим количеством излучающих элементов в активной антенной решетке, и выигрыш может достигать 50 - 80%. К методам повышения эффективности использования спектра в сети 5G/IMT-2020, которые рассматривались в 3GPP, относятся следующие:

1. Усовершенствованные формы сигналов, модуляция и кодирование, схемы многостанционного доступа:

- фильтрованное OFDM (FOFDM);

- модуляция с множеством несущих с использованием банка фильтров (FBMC);

- многостанционный доступ с разделением по шаблону (PDMA);

- многостанционный доступ на основе разреженных кодов (SCMA);

- многостанционный доступ с разделением на основе перемежения (IDMA) и распределение по несущим с низкой плотностью (LDS).

На данном этапе стандартизации технологии 5G/IMT-2020 (3GPP релиз 15), в качестве метода мультиплексирования принят метод CP-OFDM (Cyclic-Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing) на канале "вниз" (DL) и CP-OFDM с DFT или без в канале "вверх" (UL).

2. Антенные технологии:

- формирование трехмерного луча FD-MIMO (3D beamforming);

- активная антенная система (AAS) с решеткой излучателей;

- усовершенствованные системы с многоканальным входом/многоканальным выходом (massive и multi user MIMO).

3. Гибкость при использовании спектра:

- агрегация несущих с различным дуплексом (TDD и FDD);

- двухканальное подключение, в том числе и в мультистандартной сети;

- динамический TDD.

4. Обеспечение прямой связи между абонентскими терминалами.

5. Использование в микросотах схем модуляции более высокого порядка и использование эталонных сигналов с уменьшенным объемом служебной информации (основан на применении функционала Lean Carrier).

В таблице 1.2 представлено сравнительное описание семейства радиоинтерфейсов стандартов NR и LTE-Advanced, в совокупности формирующих единую сеть подвижной связи технологии 5G/IMT-2020, управляемую единым ядром сети.