Внедрение сетей 5G в частотных диапазонах ниже 6 ГГц | Взгляд Nokia (часть 1)

В телеком-сообществе существует немалый интерес к возможностям новых радиоподсистем 5G использовать высокие частоты, такие как волны миллиметрового диапазона, как эффективного способа обеспечить большую пропускную способность, что отвечает быстро растущему спросу на мобильную ШПД. Тем не менее, на ранних стадиях коммерческого внедрения 5G, более вероятно внедрение таких систем с использованием не столь высокочастотных диапазонов, особенно диапазона до 6 ГГц. 

В документе, который подготовили специалисты Nokia и который я для вас перевел, пояснены причины и преимущества развертывания 5G в "низкочастотных" диапазонах частот до 6 ГГц, а также говорится о технологии и практических решениях. 

1. Преамбула

5G - это первая радиосистема, которая разрабатывалась для того, чтобы она могла работать с любыми частотными полосами в диапазоне от 400 МГц до 90 ГГц. Столь широкий диапазон выбора частот позволяет выбирать лучшую комбинацию высокой емкости, высоких скоростей передачи, большого покрытия и надежности. 

Диапазоны частот до 6 ГГц отвечают требованиям обеспечения обширного покрытия и передачи данных со скоростями до нескольких Гбит/c. Надежное покрытие - это важный элемент обеспечения "подключенности" устройств IoT (интернета вещей), он может использоваться для обеспечения работы решений, где требуется повышенная надежность подключения, например, систем удаленного управления или работы приложений, связанных с автотранспортом. 

Основные спектральные опции для технологии 5G, находящиеся пока что на ранних стадиях разработки - это частоты в районе 3.5 ГГц, 4.5 ГГц и миллиметровых волн в диапазонах 24-28 ГГц и 39 ГГц, которые предполагается использовать в режиме TDD (с разделением времени для дуплексной передачи). В рамках начальной фазы планируется использовать существующие площадки и оборудование базовых станций для поддержки частот 3.4/4.5 ГГц для упрощения знакомства с технологией 5G. Системы 5G в диапазоне 3.5 ГГц с использованием антенн массового MIMO (например, ЦАР - цифровых антенных решеток) и бимформирнга смогут обеспечить покрытие, сравнимое с покрытием существующих сетей 4G/LTE, построенных с использованием диапазона 2 ГГц и традиционных пассивных антенн. Пиковые скорости передачи данных до 2 Гбит/c можно будет обеспечить в рамках систем 5G с использованием полосы частот в 100 МГц, при этом пропускная способность таких сетей будет в 10 раз больше, чем у сетей LTE/4G. Использование частот миллиметрового диапазона, с частотными присвоениями до 1 ГГц на оператора обеспечит возможность получения пиковых скоростей вплоть до 20 Гбит/c и очень большой пропускной способностью каждого "хотспота". 

Система 5G может также использовать частоты ниже 1 ГГц в режиме FDD (дуплекс с разделением по частоте), что обеспечивает очень обширное покрытие, а также повышенное качество услуг в помещениях. Возможные частотные диапазоны - это лицензируемые частоты 700 МГц в Европе и 600 МГц в США, а также возможность рефарминга частот 850/900 МГц за счет минимизации использования этих частот системами 2G/3G. Агрегация различных частотных полос в диапазонах от ниже 1 ГГц и включая миллиметрвовые волны, обеспечивает возможность формирования любой желаемой комбинации покрытия, емкости и скоростей передачи информации с терминала пользователя. 

Технология 5G также может внедряться в режиме совместного использования спектра, как это происходит в диапазоне 3.5 ГГц в США или с использованием нелицензируемых диапазонов частот, как 5 ГГц. Этот подход открывает новые возможности для предприятий и отраслей пользоваться преимуществами внедрения 5G без необходимости приобретать лицензируемые частоты. 

Появление технологий 4G/LTE и 4G обеспечивает хороший способ плавного перехода к 5G. Технологии пятого поколения обещают нам более качественные показатели в терминах задержки распространения сигнала, эффективности использования частот, оптимизации за счет massive MIMO (технологий MIMO высокого порядка), энергоэффективности и надежности, что будет стимулировать операторов к переиспользованию имеющихся у них частот под 5G. 

Первая фаза спецификаций 3GPP 5G (3GPP - группа, занимающаяся выработкой общемировых стандартов 5G) будет включать требования к радиочастотам для новых назначений частот и для рефарминга наиболее используемых на сегодня частот. 

2. Частоты ниже 6 ГГц 

Частоты - это ключевой ресурс для провайдеров телеком-услуг (CSP - communications service provider). Доступные частоты - это основной фактор, определяющий такие показатели сети, как максимальная пропускная способность и покрытие. 

Основным диапазоном, как ожидается, станет диапазон 3.5 ГГц, где под организацию сетей сотовой связи и мобильного ШПД выделено до 400 МГц (в разных странах - по-разному) в полосе 3.4-3.8 ГГц, включая band 42 и band 43 3GPP. Кроме того, в Китае намерены использовать полосу 3.3-3.4 ГГц, а в Японии 4.4-4.9 ГГц. 

Частоты в районе 3.5 ГГц являются привлекательным ресурсом для организации сети 5G, поскольку они доступны практически во всех странах в глобальном масштабе, причем с большими полосами частот, потенциально более, чем по 100 МГц непрерывного спектра на каждого оператора сотовой связи в стране. Однако, при использовании частот 3.5 ГГц, дальность действия соты ограничена, в силу той закономерности, что дальность распространения радиосигнала сокращается (при прочих равных) по мере роста используемой частоты сигнала. Именно поэтому сеть 3.5 ГГц 5G может обеспечивать меньшее покрытие по-сравнению с сетью 4G/LTE, развернутой с использованием частот 2 ГГц, если говорить о "прочих равных". Вместе с тем, при переходе к использованию антенн массового MIMO, обеспечивающих также бимформинг, можно получить тот же радиус покрытия соты, что и в существующих сетях LTE1800 или 3G/2100, что позволяет рассчитывать на возможность эффективного использования технологии 5G в условиях городской застройки с обеспечением сплошного покрытия 5G. 

Система 5G может также использовать частоты ниже 1 ГГц для того, чтобы обеспечить более качественное покрытие в помощениях, надежный аплинк и обширное покрытие в условиях вне помещений. Обширное покрытие важно для новых пользовательских сценариев, таких, как IoT и критически важная связь. Низкие скорости передачи данных, достаточные для многих применений IoT, нетрудно обеспечить даже на больших площадях покрытия, используя для этого различные технологические решения. 

Низкочастотные диапазоны частот - это, например, частоты 700 МГц, которые доступны или станут доступными в ряде стран в ближайшее время. Еще одна опция - это частоты 900 ГГц, которые сегодня используются в основном сетями 2G/3G. Большинство операторов, как ожидается, предпочтут поддерживать работу сетей 2G/3G, как минимум до 2020 года, но будут снижать полосы частот, используемые этими сетями для того, чтобы переиспользовать высвобожденные частоты дл сетей 5G. Еще одна возможность для запуска сетей 5G - это открываемый для них в США частотный диапазон 600 МГц. 

В типовом случае, на ранних стадиях развития 5G сети будут использовать миллиметровые волны для обеспечения скоростей передачи информации вплоть до 20 Гбит/c, а также частоты в диапазоне 3.5/4.5 ГГц для обеспечения скоростей до 2 Гбит/c, и частоты низких диапазонов для формирования обширного покрытия 5G с возможными скоростями доступа до 200 Мбит/c.

Рис. 1 Типовые участки радиоспектра для использования в системах 5G на ранних стадиях

Рис. 2 Обзор частотных опций 5G, основных технологий (FDD, TDD, антенн), а также типа  сети (максимизация покрытия, максимизация емкости). Низкочастотные диапазоны подразумевают использование технологии FDD и максимизацию покрытия, тогда как высокочастотные диапазоны ориентированы на TDD и обещают высокую пропускную способность при условии использования mMIMO (множественного MIMO) 

+ 

К части 2 перевода. 

+ +