Ожидается, что к 2020 г. начнется внедрение стандартов нового, пятого поколения сотовой связи 5G, которые в ближайшем будущем должны потеснить ныне действующие протоколы 4G LTE. Уже сегодня ряд компаний разрабатывают технологии 5G в рамках проекта METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty information Society — “Способы реализации мобильной и беспроводной связи в информационном обществе-2020”).

Консорциум METIS, созданный Евросоюзом, получил грант на разработку технологии 5G, которая будет существенно отличаться от LTE Advanced новым радиоинтерфейсом, использованием новейших радиотехнологий типа гетерогенных и mesh-сетей, построенных на виртуальной основе. Цель проекта METIS — наметить пути развития мобильной связи на период спустя десять лет после коммерциализации LTE и LTE Advanced.

Одним из основных направлений исследований станет разработка концепции суперплотных сетей (super-dense networks), а также перенос процесса обработки спектра в облака. Кроме того METIS займётся проксимальной связью — вопросами превращения абонентских устройств в сетевые узлы, когда гаджеты начинают связываться между собой непосредственно, а не через базовую станцию, образуя тем самым гигантскую mesh-сеть.

Интересным обещает стать автомобильный вариант этих исследований, в котором речь идёт о развитии технологий “vehicle-to-vehicle”, превращающих автомобили из терминалов в промежуточные узлы связи. И значительное внимание будет уделяться транспортным сетям, возможности которых становятся реальной преградой перспективным технологиям суперплотных сетей и облачных сетей радиодоступа.

Что такое METIS?

Это проект, входящий в программу 7 Call 8 Евросоюза. Его бюджет составляет 27 млн. евро. Планируемая продолжительность работ — 30 месяцев, с декабря 2012 г. до апреля 2015-го. Ресурсы — 80 человек на полной ставке.

В состав консорциума METIS входят пять поставщиков решений, пять телекоммуникационных операторов, одна автомобилестроительная фирма и 13 академических организаций. В числе вендоров — Alcatel-Lucent (ALU), Ericsson, Huawei, Nokia, Nokia Solutions and Networks (NSN). В составе операторов —Deutsche Telekom (Германия), Orange (Франция), Telecom Italia (Италия), Telefonica (Испания) и NTT DoCoMo (Япония).

Среди академических организаций — AAU, Aalto, CTH, HHI, TB, KTH,NKUA, Oulu, RWTH, UB, UKL, UPV. Этот список завершает автоконцерн BMW, который, по всей видимости, займется развитием технологий “vehicle-to-vehicle”. Так что в составе консорциума работают фирмы из Испании, Франции, Германии, Польши, Италии, Греции, Дании, Швеции, Финляндии, Японии и Китая. Российских оргнизаций в METIS, как видим, пока нет.

В рабочем процессе сформировано восемь пакетов, за каждый из которых отвечает определенный разработчик. DoCoMo отвечает за сценарии, требования и KPI, Huawei за концепт радиолинии, ALU за многонодовую/многоантенную передачу, NSN за системы с множеством одновременно используемых радиотехнологий доступа (multi-RAT) и многослойные сети, Nokia за частоты.

На Ericsson лежит ответственность за два пакета — разработку дизайна системы, обеспечение производительности ее работы, а также за распространение, стандартизацию и вопросы регулирования. На нее же возложены и вопросы координации проекта.

Консорциум METIS должен найти ответы на основные вызовы 2020-го и последующих лет. Последние несколько лет мобильный трафик демонстрирует устойчивый рост, и эта тенденция продолжится в будущем. На основании различных прогнозов можно заключить, что после 2020 г. емкость систем должна будет обеспечивать обработку трафика, превышающего нынешний более чем в 1000 раз.

В будущем ожидается, что число подключенных устройств, задействованных в “умных” городах, домах и энергосетях, превысит количество пользовательских устройств в 10—100 раз. Обеспечить бесперебойную работу 50 млрд. (а возможно и 500 млрд.) устройств — задача непростая. Вместе с ростом количества подключаемых устройств будут значительно возрастать и требования к сети.

Потоковое видео, файлообменные сети и облачные сервисы по-прежнему будут оставаться наиболее популярными приложениями, требуя все более высоких скоростей. В офисных помещениях и городской среде, где плотность обращений к сети наиболее высокая, необходимо обеспечить скорость передачи данных в несколько Гбит/с.

Для воплощения идеи о неограниченном доступе к информации пользователям должны быть доступны скорости передачи данных, измеряемые в сотнях Мбит/с. Кроме того, в целях обеспечения гигабитных скоростей, необходимых для работы приложений виртуальной или дополненной реальности, нужно будет и далее сокращать время отклика до нескольких миллисекунд.

Стоимость развертывания, эксплуатации и обслуживания сети, а также стоимость устройств также должны находиться на уровне достаточно низком, чтобы позволить предоставлять популярные услуги по привлекательной для пользователя цене, но, в то же время, быть выгодными и для операторов сетей.

И наконец, немаловажное значение для достижения низкой стоимости эксплуатации сетей имеет эффективность энергопотребления, даже несмотря на ожидаемый значительный прирост трафика.

Какими же должны быть решения для систем связи следующего поколения? Ответ на этот вопрос можно найти в отчете Ericsson “Технологии мобильной связи пятого поколения (5G). Анализ и перспективы”, который был представлен компанией уже в качестве координатора проекта METIS.

Решения для сетей пятого поколения

Для того, чтобы успешно справиться с задачами, описанными выше, требуется разработка новых, более совершенных и эффективных решений беспроводного доступа. Технологии радиодоступа 2G, 3G и 4G будут дополнены новыми технологиями, нацеленными на конкретные сценарии и способы применения (рис. 1).

Разработанная в итоге система, включающая в себя различные технологии радиодоступа, полностью интегрированные и используемые как единое целое, может называться системой 5-го поколения (5G), так как она позволит вывести качество пользовательского опыта и производительность сети на тот уровень, который недоступен системам 4-го поколения.

Технологии 5G позволят пользователям полностью раскрыть потенциал технологий мобильной связи и новых сервисов, а операторам связи — реализовать дополнительные источники дохода. При этом в фокусе внимания концепции 5G стоит не столько технологический аспект, сколько улучшение пользовательского опыта посредством интеграции современных технологий.

Предоставление высококачественного доступа к услугам

Обеспечение высокого качества доступа к высокоскоростным мобильным сервисам станет возможным благодаря внедрению технологии интеллектуальных антенн с большим числом управляемых элементов, освоению новых диапазонов более высокой степени координирования между базовыми станциями.

Появятся новые сценарии развертывания сетей. Так, все больше операторов будут прибегать к стратегии развертывания малых сот. Кроме того, изменения произойдут и в парадигме коммуникаций в сторону все большего влияния межмашинного взаимодействия (рис. 2).

Обеспечение сверхвысокой пропускной способности и емкости сети

Для того, чтобы обеспечить обработку сверхвысоких объемов пользовательского трафика и скоростей передачи данных, измеряемых несколькими Гбит/с, в конкретных сценариях предвидится внедрение сверхплотного развертывания сетей, базовые станции в которых будут использовать очень широкую полосу пропускания в верхних диапазонах частот с помощью новых технологий радиодоступа.

Сверхплотные сети будут состоять из маломощных базовых станций, устанавливаемых с гораздо более высокой плотностью, чем сегодня. В крайних случаях внутри помещений базовые станции будут устанавливаться в каждой комнате, а вне помещений они будут размещаться на расстоянии фонарных столбов.

В целях надежной поддержки гигабитных скоростей сверхплотные сети должны обеспечивать полосу пропускания не ниже нескольких сотен мегагерц с возможностью расширения до нескольких гигагерц. Сверхплотные сети будут работать главным образом в диапазоне 10—100 ГГц.

Высокочастотные диапазоны облегчают задачу обеспечения широкой полосы пропускания, необходимой для поддержания гигабитных скоростей передачи данных.

Сверхплотные сети будут использовать передовые сетевые решения, например, технологии интегрированных беспроводных многоканальных транспортных сетей Multi-hop и усовершенствованные технологии координирования работы базовых станций.

Несмотря на то что сверхплотные сети будут работать в другом диапазоне и скорее всего будут основаны на новых технологиях радиодоступа, они должны быть хорошо интегрированы с уже построенным уровнем сотовых сетей, при этом пользователь не должен ощущать никакого дискомфорта при перемещении из зоны покрытия сверхплотных сетей и обратно.

Поддержка огромного количества маломощных М2М-устройств

Мероприятия, направленные на расширение существующих технологий (главным образом LTE) в целях поддержки огромного количества подключенных М2М-устройств, уже разрабатываются в рамках стандартов 3GPP. Однако стандарты LTE не смогут удовлетворить высочайшим требованиям некоторых приложений.

Поэтому необходимо внедрять альтернативные технологии, например, для поддержки устройств с крайне высокими ограничениями по энергопотреблению. Такие технологии будут полностью интегрированы в сотовые технологии, что позволит обеспечить пользователей возможностью непрерывного доступа. К примеру, капиллярные сети, использующие альтернативные технологии, будут соединяться с остальным миром посредством сотовых сетей.

Применение проксимальной связи

В ряде случаев имеет смысл организация обмена данными не посредством инфраструктуры сети, а непосредственно между устройствами по протоколу “устройство-устройство” (Device-to-Device, D2D). Это удобно, когда пользователи находятся близко друг от друга и, в особенности, когда передается информация, специфичная для конкретного места использования (безопасность движения, государственная безопасность и охрана общественного порядка [NSPS], общие службы ближнего действия, когда пользователь взаимодействует и обменивается информацией с непосредственным окружением).

Под управлением сетевого протокола D2D предложит локальным службам надежность класса оператора мобильной связи, т. к. сеть сможет управлять трафиком D2D в лицензированном диапазоне. В рамках стандартов LTE уже делаются первые шаги к интеграции D2D в сетевые коммуникационные технологии. Кроме того, D2D может послужить важным компонентом для приложений NSPS, поскольку позволяет использовать локальную связь даже в случае повреждения сетевой инфраструктуры.

Обеспечение сверхнадежной связи

В промышленной связи и социальных службах, например при обеспечении безопасности движения, в работе электронного здравоохранения и в управлении умными городами, современные радиосети не всегда могут удовлетворить требования к надежности. В некоторых случаях, связанных с использованием средств связи для интеллектуальных энергосистем или безопасности движения, требования ко времени задержки, например, могут быть выше, чем могут предложить современные системы, т. е. не более нескольких миллисекунд при сквозной передаче данных.

Надежность в значительной степени зависит от архитектуры и конфигурации сети, а также достаточного количества ресурсов для обработки пиковых нагрузок. Значительная сложность заключается в сочетании сверхмалых значений времени задержки и крайне высокой надежности. Для этого потребуется пересмотреть взаимодействие элементов сегодняшних систем мобильного широкополосного доступа, которые в основном нацелены на пропускную способность, покрытие и скорость передачи данных.

В целях оптимизации сетей и обеспечения малых значений времени задержки следует изменить соотношение между конструкцией управляющего канала, кодированием, адаптивной модуляцией и управлением радиоресурсами. Там, где необходимо крайне малое время задержки, например одна миллисекунда или ниже, нужно будет внедрить новую технологию, позволяющую обеспечить более короткие временные интервалы передачи данных.

Можно предположить, что концепция системы 5G, разработанная, в рамках проекта METIS, может быть предложена к стандартизации уже через несколько лет. В таком случае постепенный переход к сетям 5G может начаться уже в 2020 г., говорится в отчете.