ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Широкое внедрение 5G откладывается

CEA-Leti продолжает работы по 6G в D-диапазоне

Новейший УЗ-датчик от UltraSense Systems превратит любую поверхность в сенсорный экран

Освоение и развертывание технологий 5G

Проблемы использования Wi-Fi в Интернете вещей

Перспективы и потенциал 5G: чего ожидать?

Виртуальная подложка для оксидных пленок на кремнии

Развертывание сетей 5G и краевые (пограничные) вычисления

Приобретение Inphi: Marvell вкладывается в облачные вычисления и технологии 5G

Влияние новых рыночных тенденций на проектирование ИС

Корпорации MediaTek и Amazon стремятся к лидерству в индустрии умных домов

Краткий обзор работ в области 5G и значение миллиметрового диапазона

Схемы памяти и мобильные сети

Сбываются ли планы КНР по обеспечению самодостаточности в области ИС?

Тенденции развития ферритовых пассивных компонентов

Бесшовная связь – становой хребет Четвертой промышленной революции

5G и телекоммуникационная инфраструктура

5G и телекоммуникационная инфраструктура

Выпуск 12(6736) от 24 июня 2021 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Динамика и тенденции рынка телекоммуникационной инфраструктуры во многом определяются двумя факторами: постоянной потребностью в модернизации сети, что стимулирует создание новых технологических подходов и решений, и снижением уровня рентабельности, побуждающим операторов связи искать дополнительные источники роста и разрабатывать новые протоколы для работы на новых рынках. Развитие этих двух направлений напрямую связано с освоением 5G-технологий. Исследование на эту тему было недавно опубликовано группой Yole Développement (Лион, Франция).

В настоящее время доступ в Интернет и голосовые звонки можно считать коммунальными услугами наряду с водо-, электро-, газоснабжением или общественным транспортом. В целом телекоммуникационная инфраструктура очень похожа на любую другую коммунальную инфраструктуру, – ​она состоит из большого числа объектов и систем, необходимых для удовлетворения основных потребностей клиентов, – ​но при этом обладает двумя существенными отличиями: во‑первых, она требует значительных и частых обновлений, во‑вторых, это единственная коммунальная услуга, абонентская плата за которую в течение последнего десятилетия постоянно снижалась. Услуги передачи данных становятся для операторов менее прибыльными, при том что среднемировые затраты на энерго- или водоснабжение продолжают расти.

Эти два момента помогают понять динамику и тенденции развития рынка телекоммуникационной инфраструктуры. Во-первых, постоянная потребность в модернизации сети стимулирует создание новых технологических подходов, таких как активные антенные системы (AAS). Во-вторых, снижение уровня рентабельности побудило операторов связи искать дополнительные источники роста и разрабатывать новые протоколы для работы на новых рынках, таких как корпоративные и промышленные сети и средства связи. Обе эти тенденции напрямую связаны с 5G-технологией и тем, как она была определена.


Что такое 5G?

В целом 5G – ​это не то, что мотивирует на открытие новых рынков, позволяет создавать новые приложения и предлагать новые технологические подходы. Это инструмент, разработанный телекоммуникационной промышленностью и операторами связи для достижения указанных целей. Развитие экономики, ожидаемое после внедрения нового поколения связи, было продумано и определено еще до того, как была установлена первая базовая станция 5G.

За последние десятилетия появилось множество концепций, касающихся связи между людьми, машинами и механизмами, транспортными средствами. Концепция сети беспроводных датчиков существует с начала 2000‑х гг. Были осуществлены многочисленные разработки, такие как электроника со сверхнизкой потребляемой мощностью (которая не получила широкого признания на рынке). Идея сетей датчиков, облегчающих автоматизацию промышленного производства и повышающих производительность предприятий, активно рассматривалась, но одним из главных препятствий оставался доступ к эффективным протоколам и инфраструктуре. Аналогичным образом со стороны регулирующих органов большое внимание уделялось связи между автомобилями. Это, в частности, привело к выделению полосы частот 5,9 ГГц для связи между транспортными средствами. Но эта концепция также имела ограниченный потенциал, поскольку она не обладала возможностями взаимодействия с сетями общего пользования.

В этом контексте операторы и производители систем и средств связи пришли к осознанию необходимости создания протокола, способного объединить все эти новые рынки, обладающего потенциалом значительного роста, а также позволяющего удовлетворить мировые потребности в области связи. Это стало основным направлением работ во время определения основных параметров и специ-фикаций технологий 5G 10 лет назад.

Технологию 5G часто называют точкой пересечения трех концепций: мобильной широкополосной связи с расширенными возможностями (eMBB), сверхнадежной связи с малым временем ожидания (URLLC) и массовой межмашинной связи (mMTC). Эти три фактора напрямую зависят от мировых потребностей в общении. URLLC связан с критически важными приложениями, средствами и системами связи, такими как безопасность пилотируемых транспортных средств или борьба со стихийными бедствиями. Сфера mMTC относится к области крупных сетей датчиков, таких как носимые устройства, автоматизация промышленного производства, зданий и сооружений. Технология eMBB обусловлена потребительским спросом на увеличение пропускной способности передачи данных в результате развития видеоконтента, облачных игр и виртуальной реальности. Таким образом, суть 5G, разработанной как единая технология связи, заключена в управлении всеми этими составляющими.

Понимая это, легче оценить перспективы развития телекоммуникационной инфраструктуры. Помимо модернизации стандартных сетей необходимо охватывать новые варианты использования – ​обеспечивая новые подходы к сетям на заводах и предприятиях, предлагая возможности дальней радиосвязи на дорогах и т.д. К сожалению, даже несмотря на то что эти варианты использования были мотивированы промышленностью, фактический спрос на большинстве этих перспективных рынков до сих пор очевидным образом не проявился. Предлагаемые решения, при всей своей привлекательности, пока не достигли этапа массового развертывания.


Технологические аспекты

С технологической точки зрения ориентированный на рынок подход оказывает непосредственное воздействие на протоколы, полосы частот, возможности передачи и т.д. (рис. 1).



Источник: Yole Développement

Рисунок 1. Нисходящий поток от потребностей рынка (а) к архитектуре 5G (б) и возможностям инфраструктуры (в)

* V2X (vehicle-to-everything) – основное единое решение в среде «подключенного автомобиля», объединяющее технологии связи автомобиль-автомобиль (V2V) и автомобиль-инфраструктура (V2I). Связь V2X основана на радиосвязи DSRC на частоте 5,9 ГГц – технологии двусторонней беспроводной связи малого радиуса действия, разработанной специально для движущихся объектов, и позволяет автомобилям обмениваться данными с другими автомобилями и придорожным оборудованием, датчиками и участниками движения, подобно связи по Wi-Fi, но с использованием специальных эффективных сетевых функций.

** Сетевая нарезка (network slicing) – возможность логической нарезки инфраструктуры сети 5G на сетевые слои, ориентированные на разные бизнес-приложения и разные технологии радиодоступа. В свою очередь эти слои могут быть раздельно оптимизированы под различные требования скоростей передачи данных различными технологиями радиодоступа.

*** Облачная сеть радиодоступа (cloud radio access network, C-RAN) – новая парадигма распределенной архитектуры базовых станций, предназначенная для сокращения числа узлов сотовой связи при одновременном увеличении плотности развертывания базовых станций.

**** MIMO (multiple input multiple output) – метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн. Передающие и приемные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой.


Для иллюстрации этого можно установить соотношение технических тенденций с предполагаемыми приложениями. Так, потребность в URLLC означает, среди прочего, устойчивую транзитную связь, что создает спрос на двухдиапазонную обратную (транзитную) связь при использовании беспроводных линий связи и стимулирует применение оптоволоконных транзитных соединений. В настоящее время при внедрении 5G самой сложной с технологической точки зрения задачей является именно URLLC. Высокие требования к пропускной способности eMBB в сочетании с отсутствием доступного спектра стали поводом использовать миллиметровые полосы mmWave, или FR2 (FR1 – ​это суб‑6-ГГц диапазон), т.е. частоты выше 24 ГГц. Потребность в более высокой пропускной способности также привела к использованию более продвинутых методов OFDM-модуляции, для которых требуется все более точная связь, т.е. с меньшим количеством помех и лучшим покрытием. Результатом стало формирование диаграммы направленности антенны (ДНА) и создание AAS. Освоение новых частот, необходимых для увеличения пропускной способности, позволило внедрить новую полупроводниковую технологическую платформу усилителей мощности и перейти от LDMOS (горизонтальные двухдиффузионные МОП-транзисторы) к GaN-транзисторам. Требования промышленных и корпоративных приложений привели к агрессивному развитию структур малых ячеек и распределенных антенных систем.

Этот список можно продолжать и продолжать. Тем не менее при рассмотрении того, как инфраструктура 5G будет соответствовать увеличению пропускной способности (eMBB), числу адресуемых устройств (mMTC) и надежности (URLLC), становится возможным выделить основные инновации входных радиокаскадов:

новые полосы частот – ​как суб‑6 ГГц (FR1), так и миллиметровые волны (FR2);

активные антенные системы (AAS);

устройства с меньшим радиусом действия (например, малые соты и распределенные антенные системы).

Для входных радиочастотных каскадов инновации в радиочастотной системе означают:

использование высокочастотных и широкополосных компонентов, новых технологических платформ (например, GaN и SiGe) и новых схем (таких как трехступенчатые усилители Догерти);

появление полностью интегрированных систем миллиметрового диапазона для инфраструктуры, которой ранее не существовало;

снижение потребляемой мощности компонентов, так как активные антенны используют больше радиочастотных каналов для передачи аналогичной эффективной мощности изотропного излучения (EIRP);

увеличение числа компонентов (например, коммутаторов и переключателей, усилителей мощности, малошумящих усилителей), поскольку AAS имеют больше радиочастотных каналов;

усложнение последнего этапа транзитной передачи при развертывании малых ячеек и сот за счет интегрированного доступа и обратной передачи.

Исследовательская группа Yole Développement оценила все эти изменения и их влияние на рынок с точки зрения конкурентных позиций игроков, динамики промышленности и рыночной стоимости. В исследовании «Влияние 5G на входные радиокаскады для телекоммуникационной инфраструктуры» (5G’s Impact on RF Front--End for Telecom Infrastructure 2021), опубликованном в начале 2021 г., прогнозируется, что рынок инфраструктуры может вырасти с 2,70 млрд долл. в 2020 г. до 3,66 млрд в 2025 (рис. 2), достигнув максимума в 4,26 млрд долл. в 2023 г.



Источник: Yole Développement

Рисунок 2. Прогноз развития рынка РЧ-инфраструктуры

CAGR (compound annual growth rate) – среднегодовой темп прироста в сложных процентах.


Эти технологические изменения – ​лишь видимая часть айсберга. Развертывание сетей и технологий 5G имеет огромные последствия в сфере обработки прямой (немодулированной) передачи сигнала и управления данными. Важнейшая инновация в области сетевой нарезки позволяет полностью виртуализировать коммуникационную сеть и создать бесшовную связь между отраслями, а также создать частные сети, поддерживаемые операторами по всему миру. Для сети радиодоступа (RAN) значительные изменения в управлении инфраструктурой осуществляются с помощью инновационных подходов, таких как облачные RAN (С-RAN) и открытые RAN (O-RAN). «Взаимное использование» ресурсов RAN снизит стоимость эксплуатации сети и воздействие на окружающую среду.


Воздействие 5G на окружающую среду

Инфраструктура 5G достаточно энергоемка – ​AAS потребляют больше энергии, рост числа обменов данными также увеличивает энергопотребление. С другой стороны, на технологическом уровне прилагаются огромные усилия для повышения эффективности и снижения удельного (на бит) энергопотребления обработки и обмена данными. Но фактические смягчающие факторы в этом экологическом беспорядке находятся не на уровне передачи и обработки, а на прикладном уровне.

Как уже говорилось, 5G означает подключение промышленности, предприятий и т.д. Одна из целей использования 5G в автоматизации промышленного производства – ​снижение производственных затрат за счет оптимизации технологических процессов. Хотя повышение отдачи (снижение затрат) и не является основной целью, оно непосредственно приводит к снижению потребляемой мощности производства и расхода материалов. Например, узкополосный Интернет вещей (NB-IoT) поможет в управлении автопарком и сократит потребление топлива. Внутризаводские сети миллиметрового диапазона помогут средствам интеллектуального управления и машинного зрения повысить выход годных. При таком непосредственном воздействии на промышленную среду создание подключенного мира может означать создание энергоэффективного мира. В любом случае непрерывная работа по оптимизации энергопотребления должна вестись на всех уровнях 5G, и это, безусловно, является одним из приоритетов отрасли.


Вклад в эволюцию инфраструктуры

Телекоммуникационная инфраструктура отличается от других коммунальных услуг своей потребностью в постоянном обновлении, а перспективные поколения стандартов напрямую связаны с заранее сформулированным видением того, как должно выглядеть будущее. Стандарт 5G был определен на абстрактном уровне 10 лет назад, и нынешний технологический выбор – ​лишь практическая реализация этого видения. Главная цель – ​объединение коммуникаций в отрасли с глобальной автоматизацией и повышением эффективности.

Сегодня уже определяются параметры связи шестого поколения – ​6G. При этом учитываются современные мировые технологические тенденции в области искусственного интеллекта, облачных вычислений и потребностей в данных. Особое внимание уделяется повышению пропускной способности, снижению энергопотребления и оптимизации обработки данных. Любой игрок отрасли может внести свой вклад в коллективное будущее, участвуя в консорциумах и семинарах, определяющих требования к 6G (особенно с учетом того, что технология 5G и ее внедрение – ​это уже определенные и утвержденные вещи, которые не могут быть изменены).


Bonnabel Antoine, Malaquin Cédric. Telecom Infrastructure: A Unique Utility. Microwave Journal, May 13, 2021: https://www.microwavejournal.com/articles/35960‑telecom--infrastructure-a-unique--utility


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.