Введение в 5G NR

Изучите основы 5G NR, включая его диапазоны частот, приложения и то, какие технологии делают это возможным.

5G, следующее (пятое) поколение беспроводной связи для смартфонов, активно продвигается в потребительском мире как новый уровень для мобильных устройств. Но что означает 5G в глазах инженеров, разрабатывающих эти устройства?

В этой статье мы углубимся в 5G NR (New Radio) и рассмотрим модели многоцелевого использования и несколько диапазонов частот, охватываемых этим развивающимся стандартом. Мы также рассмотрим некоторые передовые технологии, связанные с 5G NR.

Стандарты 5G

Стандарты для 5G разрабатываются Партнерским проектом третьего поколения (3GPP), в который входят партнеры из семи различных глобальных организаций по стандартизации. Стандарты для 5G начались с «Release 15» в декабре 2017 года и расширяются в последующих выпусках по мере добавления новых функций, функций и требований.

В рамках 3GPP существуют группы технических спецификаций (TSG), которые работают над определением систем 5G NR на возрастающих уровнях абстракции. Примеры уровней включают, но не ограничиваются:

• Сеть радиодоступа (RAN): Отвечает за определение нижних уровней (1-3) технических характеристик радио, которые включают:
  • Физический уровень
  • Модуляция
  • Дуплекс с частотным разделением (FDD)
  • Дуплекс с временным разделением (TDD)
  • Формирование луча
  • Обнаружение ошибок
  • Исправление
• Аспект услуг и систем (SA): Наблюдает за общей архитектурой и возможностями обслуживания, включая тарификацию, учет, управление сетью и безопасность.
• Базовая сеть и терминал (CT): Определяет спецификации для пользовательского оборудования, переключение между сетями, отображение качества обслуживания и т. Д.

Три диапазона частот многоуровневой службы 5G

По мере развития технологий беспроводной связи частота и полоса пропускания постоянно увеличивались. Как показано на Рисунке 1, новые поколения сохраняют некоторую обратную совместимость с существующими сетями, но расширяются на большее количество частотных диапазонов.

Рисунок 1. Эволюция распределения частотного спектра для сетей 2G, 3G, 4G и 5G. Изображение любезно предоставлено компанией Ericsson

Эта тенденция делает огромный скачок вперед с 5G, поскольку он переходит на частоты миллиметрового диапазона (миллиметровые волны) выше 30 ГГц. Это позволяет 5G NR поддерживать сверхширокую полосу пропускания до 100 МГц на частотах ниже 6 ГГц и до 400 МГц на более высоких частотах.

В целом 5G можно разделить на три диапазона:

• FR1
  • Более низкие частоты: МГц – 1 ГГц
  • Средние частоты:1–7 ГГц
• FR2
  • Более высокие частоты: 24–48 ГГц

Как показано на рисунке 2, три диапазона предназначены для совместной работы, чтобы удовлетворить различные потребности в полосе пропускания, задержке и покрытии.

Рисунок 2. Взаимосвязь между пропускной способностью, задержкой и покрытием для 3 полос 5G NR. Изображение предоставлено Advantech

Первоначальное развертывание 5G происходит в нижнем частотном диапазоне (FR1) с двумя полосами (называемыми низкими и средними), которые охватывают более традиционные частоты, используемые для смартфонов, от 450 МГц до 6 ГГц. Эти более низкие частоты обеспечивают наибольший диапазон покрытия.

Более высокий частотный диапазон (FR2) перемещается вверх по направлению к области mmWave с частотами от 24 до 100 ГГц для поддержки более высоких скоростей загрузки и создания новых приложений, требующих сверхмалой задержки.

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением для 5G NR

Передача 5G как для восходящего, так и для нисходящего каналов основана на OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). OFDM сочетает квадратурную амплитудную модуляцию (QAM) и мультиплексирование с частотным разделением (FDM) для обеспечения связи с высокой скоростью передачи данных.

Поскольку частоты поднесущих ортогональны друг другу, все отдельные пики совпадают с нулями других поднесущих (рисунок 3).

Рисунок 3. Частотный спектр мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов. Изображение предоставлено компанией Keysight

Это минимизирует помехи и позволяет приемнику эффективно восстанавливать сигнал. Эти модулированные поднесущие могут использоваться для поддержки множества независимых сигналов (например, FM-радиоканалов), но в приложениях 5G обычно объединяются для увеличения скорости передачи данных для одного канала.

Спецификация NR поддерживает регулируемый интервал несущих 15 кГц, 30 кГц, 60 кГц, 120 кГц, 240 кГц или 480 кГц с максимумом 3300 поднесущих. Кроме того, модуляция поднесущей может быть QPSK (четырехфазная манипуляция) или 16-, 64- или 256-QAM. Эти параметры обеспечивают универсальность, позволяющую операторам оптимизировать схему связи для соответствия средам и приложениям.

Производительность 5G по сравнению с 4G

Как мы и ожидали от каждого нового поколения технологий смартфонов, 5G быстрее и обеспечивает большую пропускную способность, чем его предшественник 4G. Ожидается, что 5G будет поддерживать максимальную скорость передачи данных до 10-20 Гбит / с и среднюю скорость передачи данных более 100 Мбит / с. 5G также поддерживает 100-кратное увеличение пропускной способности за счет повышения эффективности сети и 10-кратного уменьшения задержки до 1 мс.

Помимо этих основных улучшений, 5G разрабатывается как более разнообразный телекоммуникационный стандарт, чем 4G, для поддержки приложений, выходящих за рамки стандартной мобильной широкополосной связи, включая:

• Критически важные коммуникации с малой задержкой
• Широкие возможности подключения к Интернету вещей (IoT)
• Поддержка всех типов спектра (лицензионных, совместно используемых, нелицензионных).
• Расширенные модели развертывания, включая точки доступа
• Новые модели взаимодействия, такие как межсетевое взаимодействие между устройствами и сетка с несколькими переходами.

Модели использования 5G

Обычно, когда мы слышим о 5G, мы сразу же думаем о более совершенных смартфонах, и это действительно один из аспектов спецификаций 5G NR. Однако стандарты разрабатываются для поддержки не только более совершенных смартфонов. В частности, существуют три основные модели использования, показанные на Рисунке 4:

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband):смартфоны и потребительские приложения несколько лучше.
• URLLC (Сверхнадежная связь с малой задержкой):критически важные услуги
• mMTC (Связь массового машинного типа):подумайте об Интернете вещей

Рисунок 4. Примеры применения трех моделей использования 5G NR. Изображение [изменено] любезно предоставлено 3GPP

eMBB (улучшенная мобильная широкополосная связь)

Первоначальный акцент при разработке сети 5G NR сосредоточен на eMBB для повышения скорости загрузки и выгрузки и уменьшения задержки. Ожидается, что eMBB улучшит потоковую передачу мобильного видео и включит приложения, которые включают мобильную дополненную и виртуальную реальность (AR и VR). Ожидается, что emBB обеспечит расширенный доступ к беспроводной широкополосной связи в густонаселенных городских районах, на спортивных или концертных площадках и в умных офисах.

URLLC (сверхнадежная связь с малой задержкой)

Как следует из названия, URLLC разработан для обеспечения связи с очень малой задержкой для приложений «реального времени», включая автономные транспортные средства, промышленную автоматизацию и удаленную хирургию. Очевидно, что каждое из этих приложений потребует надежных сетевых подключений с низким уровнем ошибок и незаметной задержкой (теоретически всего 1 мс). Эти требования сильно отличаются от требований для голосового вызова или потоковой передачи вашего любимого нового шоу.

mMTC (Связь с большим типом машин)

mMTC - это третья модель использования, которая также немного отличается от первых двух. mMTC будет использовать преимущества широкой полосы пропускания, доступной с 5G NR, для поддержки связи с «огромным» количеством устройств с низкой скоростью передачи данных. Приложения будут включать Интернет вещей и умные города, где большое количество узлов потребует узкой полосы пропускания для дистанционного зондирования, мониторинга, управления движением и парковками, логистики и управления автопарком, а также электронных рекламных щитов.

Технологии, обеспечивающие 5G

Существует множество технологических достижений, которые объединяются, чтобы обеспечить связь 5G. В этом разделе будут затронуты несколько ключевых технологий, которые могут быть интересны инженерам-электрикам, работающим с оборудованием.

Продвинутая технология транзисторов

Непрерывный марш кремниевой КМОП-технологии к более тонкой геометрии, очевидно, важен для увеличения вычислительной мощности, необходимой в телефонных трубках, базовых станциях и магистрали сети. Кроме того, по мере того, как 5G расширяется до миллиметрового диапазона частотного спектра, в центре внимания находятся усовершенствования в передовых транзисторных технологиях.

Как показано на рисунке 5, кремний-германий (SiGe), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) подходят для работы в высокочастотных диапазонах FR2 выше 6 ГГц. В частности, устройства на основе GaN и SiC широко используются в базовых станциях, где необходимы как высокие частоты, так и высокая мощность.

Рисунок 5. Зависимость мощности от частоты материалов с широкой запрещенной зоной (WBG). Изображение любезно предоставлено Analog Devices

Помимо самих транзисторов, для внешних соединений от микросхемы к печатной плате (PCB) требуются технологические достижения в области упаковки и передовые методы проектирования. Такая простая вещь, как соединительный провод диаметром 1 мм внутри корпуса, становится потенциальной антенной на частотах миллиметрового диапазона и может иметь сложный импеданс, который затрудняет достижение согласования импеданса 50 Ом с печатной платой. Может помочь переход на сборку flip-chip с использованием шариков припоя, но проблема согласования импеданса все еще может остаться.

Массивные антенны с множеством входов и множеством выходов

Из-за очень короткой длины волны фазированные антенные решетки становятся доступными для частот миллиметрового диапазона 5G. Например, прототип телефона миллиметрового диапазона, продемонстрированный Qualcomm на рис. 6, по-видимому, имеет три секции фазированной антенной решетки 4x2. Фазированные антенные решетки могут поддерживать формирование диаграммы направленности для улучшения усиления антенны.

Рисунок 6. Прототип мобильного телефона 5G NR mmWave. Изображение [изменено] любезно предоставлено Qualcomm

Ожидается, что в базовых станциях использование фазированных решеток приведет к тому, что называется массовыми системами с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Используя большое количество антенн и сложные алгоритмы, массивная система MIMO может использовать адаптивное формирование луча и пространственное разнесение для:

• Спектральная эффективность за счет фокусировки узких лучей на каждого пользователя.
• Энергоэффективность за счет усиления антенны для снижения общей излучаемой мощности.
• Повышение скорости передачи данных и емкости за счет усиления и пространственного разнесения.
• Отслеживание мобильных пользователей с помощью адаптивного формирования луча.

Комбинация цифровой и аналоговой обработки на базовой станции создает уникальные каналы передачи для отдельных пользователей. Отдельные пользователи могут также использовать несколько антенн для улучшения связи при наличии замирания, многолучевого распространения и помех.

Рисунок 7. Массивная связь с несколькими входами и выходами для 5G миллиметрового диапазона. Изображение любезно предоставлено Алемайшат и др.

Резюме

5G NR - это намного больше, чем просто улучшенная сеть для мобильных смартфонов. Три основные модели использования:улучшенная мобильная широкополосная связь, сверхнадежная связь с малой задержкой и массовая связь машинного типа, вероятно, приведут к появлению множества новых приложений в ближайшие годы.