Способны ли технологии 5G обрабатывать весь объем данных Интернета вещей?

Способны ли технологии 5G обрабатывать весь объем данных Интернета вещей?

Выпуск 12(6686) от 20 июня 2019 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Для миллиметровых частот характерны сильные потери сигнала, что ограничивает возможности технологий 5G. Решение проблемы – ​интеграция компонентов в узлах связи.

Технологии 5G призваны не заменить 4G-LTE, а расширить их функциональность, уменьшить количество прерванных по техническим причинам вызовов и повысить скорость загрузки данных. Однако способны ли они обрабатывать весь объем данных, генерируемых огромным количеством подключенных устройств?

Системы 4G рассчитаны на пиковые скорости передачи данных до 1 Гбит/с для фиксированных каналов связи, при этом средняя скоростьпередачи данных для пользователей мобильной связи – ​около 100 Мбит/с. Термин LTE (от англ. Long-Term Evolution – ​долговременное развитие) связан с дальнейшими усовершенствованиями первоначальной сетевой инфраструктуры 4G. Для стандарта 4G-LTE-A характерны более высокие скорости передачи данных по сравнению с 4G.

Системы 5G рассчитаны на пиковые скорости передачи данных до 20 Гбит/с. Стремительный рост числа пользователей беспроводной сотовой связи и количества подключенных устройств логично влечет за собой потребность в увеличении пропускной способности, что предполагает расширение частотного спектра и его более эффективное использование.

Полоса пропускания 5G включает нелицензированные и лицензированные полосы частот ниже 1 ГГц (600 МГц), от 1 до 6 ГГц и выше 6 ГГц. Особый интерес для развития высокоскоростной фиксированной беспроводной связи представляют частоты миллиметрового диапазона от 24 до 60 ГГц.

Многие низкочастотные полосы уже заняты Wi-Fi, Bluetooth и другими беспроводными технологиями. Поставщики услуг 5G обеспечивают необходимую полосу пропускания путем покупки или аренды частотного спектра, который выделяется такими организациями, как Международный союз электросвязи (г. Женева, Швейцария) и Федеральная комиссия по связи (г. Вашингтон, США).

Федеральная комиссия по связи провела многочисленные аукционы по покупке спектра в высоких частотных диапазонах, включая полосы 24 и 28 ГГц. Правительственное агентство поощряет разработку 5G в среднем частотном диапазоне от 2,5 до 4,2 ГГц, низком частотном диапазоне 600, 800 и 900 МГц, а также на нелицензированных полосах частот ниже 6 ГГц и выше 95 ГГц. План 5G FAST Федеральной комиссии по связи включает три ключевых направления: расширение доступного на рынке спектра, обновление инфраструктурной политики и модернизацию устаревших нормативных актов.

Особенности распространения радиосигналов зависят от частоты. Сигналы на более высоких частотах имеют более короткие длины волн, чем сигналы на более низких частотах. Соответственно, высокочастотные сигналы теряют мощность на расстоянии быстрее, чем низкочастотные. На низких частотах обеспечивается лучшее покрытие сотовой связи, что и было реализовано в системах, связанных с предыдущими телекоммуникационными стандартами, где узлы связи располагались на расстоянии нескольких километров друг от друга. Высокочастотные сигналы ослабляются при взаимодействии с различными препятствиями (зданиями, зелеными насаждениями, осадками).

Применение сигналов миллиметрового диапазона для ближней высокоскоростной передачи данных в сетях 5G потребует создания множества небольших маломощных сотовых станций с возможностью их установки на столбах ЛЭП, что позволит расширить охват. В густонаселенных городах с большим количеством абонентов плотность сотовых станций должна быть особенно высока.

В США для 5G зарезервированы полосы частот миллиметрового диапазона 24, 28, 37, 39, 47 и 60 ГГц. Использование высоких радиочастот и сочетание нескольких полос – ​ключевые отличия 5G от предыдущих технологий беспроводной сотовой связи, и именно они позволят достигнуть рекордной производительности. Если максимальные скорости передачи данных 4G-LTE обычно достигают 1 Гбит/с, то скорости передачи данных 5G стремятся к 10 Гбит/с. Для беспроводных соединений с низким временем ожидания (около 1 мс для 5G по сравнению с около 40 мс для 4G-LTE) скорости передачи данных 5G, как ожидается, легко превысят 2 Гбит/с. Низкое время ожидания обеспечивает возможность дистанционного управления промышленными роботами, умного мониторинга и управления автономными транспортными средствами.

Для умных систем управления дорожным движением и умных дорог с применением технологии V2X высокая скорость передачи данных и низкое время ожидания – ​ключевые требования. Частоты миллиметрового диапазона с высокой пропускной способностью обеспечивают возможность высокоскоростной передачи больших объемов данных, генерируемых умными зданиями и дорогами с подключенными транспортными средствами.

Использование частот до 60 ГГц в системах 5G позволит снизить размер антенн по сравнению с антеннами базовых станций 4G-LTE и более ранних поколений сотовой связи. Стандартный узел сотовой связи 4G-LTE использует 12 антенн: восемь для передачи и четыре для приема. Узел сотовой связи 5G состоит из 100 и более антенн для разных частот, включая небольшие антенны для частот миллиметрового диапазона, которые обеспечивают расширенное покрытие с использованием активных методов формирования луча. Технология MIMO позволяет эффективно координировать функции передачи и приема множества различных антенных элементов. Для оптимального покрытия узлы сотовой связи 5G располагаются близко друг к другу – ​на расстоянии около 300 м.

В сотовых сетях используются дуплексные каналы с временным и частотным разделением. Увеличению пропускной способности и эффективности сетей 5G будет способствовать использование полнодуплексной технологии для одновременного приема и передачи сигналов на одной частоте в сочетании с крупными антенными решетками.

Эффективное использование частот миллиметрового диапазона требует грамотного сочетания компонентов в небольших сетевых узлах 5G, которое обеспечит способность сетей нового поколения обрабатывать весь объем данных Интернета вещей. Компоненты, востребованные основными поставщиками телекоммуникационных услуг (на рынке США – ​AT&T, Sprint, T-Mobile и Verizon), – ​миллиметровые усилители, антенны, волноводные нагрузки, АЦП и ЦАП.

Следствием перехода к технологии MIMO и уменьшения узлов связи стала необходимость миниатюризации и интеграции компонентов. Пример интеграции – ​активные антенные системы, в которых радиопередатчики объединены с пассивными антенными решетками. В результате в небольшом корпусе узла сети размещаются компактные подсистемы, обеспечивающие высокую пропускную способность и широкое беспроводное покрытие. Благодаря интеграции сокращается использование коаксиального кабеля для соединения антенных элементов и активных компонентов, что минимизирует вносимые потери.

Для обеспечения надежных высокоскоростных межсоединений внутри активных антенных систем используются современные коаксиальные соединители, такие как ERFV компании TE Connectivity, специально разработанные для сетей 5G. Они работают на низких частотах до 10 ГГц. В сборке объединены несколько плат с разной высотой. Возвратные потери – ​не хуже 20 дБ, изоляция – ​более 60 дБ на частотах до 6 ГГц.

   

Browne Jack. Can 5G Handle Next-Gen Data? Electronic Design, May 21, 2019: https://www.electronicdesign.com/industrial-automation/can‑5g-handle-next-gen-data


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.