XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

5G относится к пятому поколению стандартов мобильных сетей, определенных 3GPP, организацией, которая устанавливает руководящие принципы для каждой компании, работающей в области сотовой связи. Официальное название, 5G NR, означает «Новое радио» и ничего не значит. Он будет использоваться так же, как «LTE» сегодня, чтобы отличать его от предыдущих версий.

В то время как 3G повсеместно способствовал распространению интернета, а 4G LTE - быстрее, 5G NR призван значительно увеличить пропускную способность и скорость сетей, предоставляя вам без задержек видеоролики с высоким разрешением и прямые трансляции 4K VR.

Требование беспроводной связи пятого поколения (5G) для высокой пропускной способности побуждает индустрию беспроводной связи использовать связь мм-волн (миллиметровая волна) для ее преимущества в широкой полосе пропускания. Чтобы компенсировать большие потери в тракте и увеличить пропускную способность связи, методы формирования лучей с фазированной решеткой и массивные множественные входы с множеством выходов (MIMO) используются как на пользовательском оборудовании (UE), так и на базовых станциях (BS). Учитывая коммерческие требования, системы больших массивов 5G mmWave должны быть реализованы экономичным способом с небольшим форм-фактором (рис.1). [1]

Рис.1. Реализация 5G

Миллиметровые волны (мм-волны), которые занимают частоты примерно от 30 ГГц до 300 ГГц, являются одними из наиболее серьезных кандидатов для будущей технологии 5G. Они в основном не были затронуты общественностью, поскольку оборудование, необходимое для их эффективного использования, обычно было дорогим и недоступным. Причина в том, что они предлагают огромное количество неиспользуемого или недоиспользуемого спектра, в отличие от более низких частот, и хорошо известно, что ширина спектральной полосы напрямую зависит от скорости передачи данных. Этот потенциал отражен в недавнем решении ФКС об открытии примерно 11 ГГц спектра выше 24 ГГц для беспроводных служб следующего поколения, и ожидается, что последуют другие регуляторные органы. Наиболее перспективными являются полосы 28–30 ГГц, 38–40 ГГц, свободная от лицензий полоса на 60 ГГц и полоса E от 71–76 до 81–86 ГГц.

Как уже упоминалось, принятие миллиметровых волн (mmWave) частот связи в сетях 5G рассматривается, как способ достижения целей увеличения пропускной способности и мощности. Миллиметровые волновые частоты-это частоты в диапазоне 3-300 ГГц, где длина волны действительно находится в диапазоне 1-100 миллиметров. Они в основном не лицензированы или имеют упрощенную лицензию. Международный союз электросвязи (МСЭ) определит наиболее подходящие диапазоны для сетей радиосвязи 5G в ближайшие несколько лет. На рис.2 сразу видно, почему эти системы привлекают исследователей электросвязи: потенциальный спектр, который может быть выделен системам 5G, очень велик. Потенциальные несущие частоты, изученные группой в Нью-Йоркском университете, составляют 28 ГГц и 73 ГГц.

Рис.2 Спектр в диапазоне [0, 300] ГГц

Есть несколько преимуществ, которые дает принятие таких высоких частот, а также некоторые недостатки. Основными плюсами являются:

очень большая доступная полоса пропускания;

возможность упаковки большего количества антенн в мобильный терминал по сравнению с теми, которые позволяет микроволновая система;

улучшенное относительное энергопотребление по отношению к более низким частотам, т. е. мощность, затрачиваемая на передачу каждого бита, ниже для mmWave, чем для типичных диапазонов LTE;

возможность использования очень узких лучей для ограничения помех в отношении других базовых станций и оконечных устройств и для улучшения охвата. [2]

Кроме того, малые длины волн Mm-сигналов, соединенные с прогрессом в низкоэнергетических радиочастотных (RF) цепях металл-оксид-полупроводник (CMOS), дают возможность значительному количеству (32 компонента) уменьшенного размера (небольшого размера) и размеров антенны. маленький. Эти типы различных антенн могут быть использованы для формирования решетки с высокой степенью захвата, электрически управляемой, созданной в BS, на поверхности мобильного телефона или даже внутри микросхемы. Этот огромный потенциал вызвал большой энтузиазм в отношении ячеек Mm-волн как в промышленности, так и в научном сообществе с растущим убеждением, что группы Mm-волн будут играть заметную роль в прошлых структурах ячеек 4G и 5G.

Потери в ненаправленном тракте увеличиваются, потому что к верхним частотам передачи Mm-волн можно полностью внести поправки с помощью желательных направленных передач, формирования лучей, знаки Mm-волн могут быть совершенно беззащитны от затенения, вызывая затемнения и нерегулярное качество канала. Среди основных минусов:

ограничения в охвате, в частности в городских условиях, где сигналы mmWave страдают от блокировки;

абсолютное потребление энергии. [2]

Есть много других проблем с использованием мм-волн для мобильных устройств, но остановимся на первой проблеме. В частности, потери при распространении. Даже если на вашем этаже установлены базовые станции, нужно учитывать множество переменных. Например, металлы отражают лучи, в то время как бетон поглощает их. Поэтому, если вы находитесь в конференц-зале, внешняя базовая станция потенциально может выстрелить лучом через полую стену, попасть в металлическую лампу и отскочить от вашего телефона. Чтобы это работало достаточно надежно для общего пользования, необходимо, чтобы ваш телефон отслеживал тонну лучей.

Из-за их более высокой частоты потери свободного пространства при использовании изотропных антенн намного выше, дифракция менее выражена, и поглощение во многих материалах может быть очень высоким. Следовательно, чувствительность к закупоркам выше, а распространение обычно происходит в пределах прямой видимости. Это может быть смягчено формированием луча MIMO, которое обеспечивает усиление для компенсации потерь при распространении. Однако для обеспечения достаточного усиления могут потребоваться массивы с сотнями элементов, а это означает, что MIMO придется реализовывать в гораздо большем масштабе, чем в настоящее время (то есть менее десяти антенн).

Рассмотрим более подробно процесс развертывания миллиметровой волны 5G.(рис.3) На рисунке 3а показан пример использования фиксированного беспроводного доступа (FWA), когда мы пытаемся доставлять данные с высокой пропускной способностью в дома в пригородной среде. В таком случае, базовая станция будет на сервисный полюс или башню, и требуется, чтобы покрыть большую площадь, чтобы произвести положительный бизнес-случай. В начальных развертываниях мы предполагаем, что покрытие является внешним по отношению к наружному, в результате чего абонентское оборудование заказчика (CPE) устанавливается вне помещения, и связь может быть спроектирована для обеспечения наилучшего беспроводного соединения. Учитывая, что антенна направлена ​​вниз, а пользователи зафиксированы, нам может не потребоваться большой диапазон вертикального поворота, но передаваемая мощность может быть довольно высокой, превышая EIRP 65 дБм, чтобы максимизировать покрытие и использовать существующую инфраструктуру.

На рисунке 3b мы иллюстрируем плотный городской сценарий, где базовая станция будет установлена ​​ниже уровня земли на крыше здания или на фасаде здания, возможно, в будущем перейдя к уличному освещению или другим установкам на уровне улицы. В любом случае, этот тип базовой станции потребует возможности вертикального сканирования для доставки сигналов по всей высоте здания и, в конечном итоге, мобильным или кочевым пользователям на земле (пешеходам и транспортным средствам) по мере появления мобильных устройств. В этом случае передаваемая мощность не обязательно должна быть такой высокой, как в пригородном случае, хотя стекло с низким содержанием Е оказалось проблемой для проникновения снаружи и в помещение. Как показано, нам потребуется больше гибкости в диапазоне сканирования луча, как по горизонтальной, так и по вертикальной осям. Основной вывод здесь заключается в том, что не существует универсального решения для всех. Сценарий развертывания будет определять архитектуру формирования луча, а архитектура будет влиять на выбор технологии RF.

Рис.3 Сценарии развертывания миллиметровой волны 5G:

(а) фиксированный беспроводной доступ в пригородной среде,

(b) стационарное и мобильное развертывание в плотной городской среде

Во всем мире дефицит скорости передачи данных, с которым сталкиваются операторы беспроводной связи, вдохновил миллиметровую связь. При проектировании и эксплуатации ячеек пятого поколения используется связь миллиметрового диапазона. Частоты миллиметровых волн учитывают более высокие значения пропускной способности, которые делают интерпретацию конкретно для более высокой скорости передачи информации. Система несущей должна иметь возможность обрабатывать тысячи приращений всего трафика мобильной передачи данных к 2020 году. Поскольку пятое поколение создается и выполняется, мы верим, что основное отличие 5G в системе 4G заключается в том, что использование гораздо большего неиспользованного распределения спектра на миллиметровой волне частотные группы, антенна для формирования направленного луча на сотовых телефонах и BS, более длительное время автономной работы, снижают вероятность отключения электроэнергии, значительно повышают частоту в больших частях области видимости. Основой 5G является переход от медного провода и оптоволокна к беспроводному соединению миллиметрового диапазона. Инновация CMOS, которая теперь может хорошо вписаться в связь миллиметрового диапазона

Список литературы

1. Томас Кэмерон. «Архитектура и технологии для радио 5 мм mmWave». ISSCC 2018, сессия 4, «Радиостанции mmWave для 5G и последующие годы», февраль 2018 года.

2. V. Milosevic, B. jokanovic, O. Broic-lubecke, Victor M. lubecke, “Key microwave and millimeter wave technologies for 5G radio,” in powering the internet of things with 5G networks, V. Mohanan, R. Budiatru, I. Aldmur,Eds. IGI global, to be published.