5G tudi na olimpijskih igrah v Pjongčangu

Družba leta 2020 bo povezana družba. Inteligentni integrirani senzorji, ki nas bodo obkrožali povsod, doma, v službi in na cesti, bodo nedvomno spremenili naše navade. Za »pametno« življenje bo potrebna stalna povezanost v omrežje.

Uporabniki (ljudje in naprave) bodo stalno izmenjavali podatke, kar bo pomenilo množični pretok podatkov, predvsem v smeri od uporabnikov v omrežje, medtem ko je danes ravno obratno. Velikanske količine podatkov se bodo pretakale med samimi napravami, brez udeležbe človeka. Napredek je občuten tudi v prometu. Vozila in spremljajoča infrastruktura se hitro razvijajo. Ustvarjajo se tako imenovana ad hoc omrežja vozil. Njihova integracija z mobilnimi omrežji vodi v pametnejši in varnejši transportni sistem.

Zagotoviti neopazna prehajanja med omrežji

Ker bo število povezanih naprav kmalu doseglo desetine ali stotine milijard, bo toliko bolj pomembno, da bo omrežje nove generacije 5G zagotavljalo popolno združljivost raznovrstnih omrežij in neopazna prehajanja iz enega v drugega. Na področju antenske tehnike je zelo pomembno 3D-oblikovanje velikega števila ozkih snopov, ki bodo sledili vsakemu uporabniku posebej, včasih jih bo celo več namenjenih enemu. Pomembno pa bo tudi hitro prehajanje med posameznimi snopi. Vse to bo naredilo radijski dostop dovolj robusten, varen in zelo zanesljiv.

Pri komunikaciji na milimetrskih valovih (frekvence nad 6 GHz) smo omejeni na razdalje nekaj sto metrov ali manj. Zato bodo kot vmesni členi vključeni vsi terminali v omrežju, postopek nadzora nad predajo zveze med baznimi postajami ali celicami pa bodo po novem nadzirale same bazne postaje, ne centralno vozlišče kot do zdaj.

Za povečanje zmogljivosti celic in ponujanje vrste storitev na kratke razdalje, kot so najbližji taksi ali avtobus, oglaševanje po področjih, srečevanja raznih skupin, je že v različici standardov 12 organizacije 3GPP standardizirana storitev LTE-direkt, ki omogoča neposredno komunikacijo naprav (D2D) v razdalji do 500 metrov. Takšna komunikacija bo na milimetrskih valovih v 5G še posebej pomembna. Z uporabo novih tehnik elektronsko krmiljenih anten in oblikovanja antenskega snopa bodo motnje zmanjšane na minimum, energetska poraba pa zmerna.

Novi radijski dostop

Za zagotavljanje visoko zastavljenih ciljev bodo v 5G uporabljene nekatere prenovljene tehnologije in nekatere povsem nove. Nov radijski vmesnik, ki ga je organizacija 3GPP poimenovala kar »novi radio«, pokriva zahteve za tri precej različna področja, kot so izboljšana širokopasovna mobilnost, množične komunikacije med napravami in izjemno zanesljive komunikacije z majhnimi zakasnitvami. Radijski vmesnik torej ni en sam, pač pa skupek različic.

In katere so tehnološke novosti radijskega vmesnika? To so, prvič, nove modulacije in kodirni algoritmi, vključno z deljenim dostopom, naprednim generiranjem valovnih oblik in naprednim kodiranjem za popravo napak, drugič, nova struktura omrežja, ki zajema razrez omrežja na rezine, komunikacijo med napravami, radijsko dostopovno omrežje v oblaku (C-RAN) in ultra gosto omrežje, tretjič, nova prostorska obdelava signala, kot je masovni MIMO, prilagodljivo oblikovanje antenskega snopa in antenska raznolikost, in četrtič, nova frekvenčna področja, kot sta področje milimetrskih valov in kombinacija licenčnih in nelicenčnih pasov.

Po načrtih 3GPP bo nov radijski vmesnik razvit v dveh fazah. Prva bo zajeta v različici standardov 15 in dokončana letos. Zajela bo predvsem najnujnejše izboljšave, ki bodo omogočile vpeljavo omrežij 5G do leta 2020. Druga faza, zajeta v različici standardov 16, pa bo zaključena do leta 2020 in bo zajela vsa štiri prej našteta področja. Pravzaprav imamo že v različici standardov 14 (3GPP TR 38.XXX) določene smernice za razvoj novega radijskega dostopa (NR).

Že od začetka razvoja 5G je jasno, da potrebujemo novo vrsto radijskega dostopa, ki bi bil dovolj prilagodljiv, da bi lahko podpiral širok razpon frekvenčnih pasov od manj kot šestih pa vse do stotih gigahercev. Novi radio navzdol ni združljiv z LTE, vendar z njim tesno sodeluje in skupaj tvorita radijski dostop 5G. Frekvenčni spekter LTE sega od približno enega do šestih gigahercev, medtem ko spekter NR pokriva celotno območje od enega do stotih gigahercev. Tudi del med enim in šestimi gigaherci je delno spremenjen.

Pomembnejši tehnologiji, ki ju uporablja NR, sta prenovljena tehnika oblikovanja signala OFDM in uporaba velikega števila sprejemnih in oddajnih anten MIMO.

Izboljšana oblika signala

Novi radijski dostop v 5G temelji na že preizkušeni tehniki oblikovanja signala OFDM, ki ga še izboljšujejo. Tehniko OFDM so izbrali zato, ker za prenos informacije uporablja veliko vzporednih ozkopasovnih podnosilnikov namesto enega širokopasovnega. Vsak podnosilnik informacijo prenaša z veliko manjšo prenosno hitrostjo, vsi skupaj pa tvorijo širokopasovni signal. Pri tem načinu prenosa motnje vplivajo le na kak podnosilnik, drugi vpliva ne čutijo. Druga prednost OFDM je ortogonalnost posameznih signalov.

Za zdaj to tehniko uporabljajo številni moderni sistemi, na primer LTE in Wi-Fi (IEEE 802.11). Za izbor OFDM v 5G je več razlogov: ima razširljivo valovno obliko z možnostjo uporabe relativno preprostih sprejemnikov, ima učinkovit okvir za prostorsko razporejanje MIMO, kar posledično pomeni večjo spektralno učinkovitost, dopušča razne popravke, kot je filtriranje za lažjo lokalizacijo, poleg tega sta tehniki SC-FDM in SC-FDMA zelo primerni za prenose proti bazni postaji in makro postavitve omrežnih elementov.

Če primerjamo novi OFDM v 5G in OFDM v LTE, kot ga poznamo danes, imamo pri prvem večjo prilagodljivost in precej manjše zakasnitve – za velikostni razred nižji odzivni čas RTT, kot ga ima LTE.

Sistemi z več antenami

MIMO (angl. multiple in, multiple out) pomeni vsak telekomunikacijski sistem, ki ima več oddajnih in sprejemnih anten. To število se na oddaji in sprejemu lahko razlikuje, dobitek sistema pa je odvisen od najmanjšega člena. Tehnika MIMO pretvori komunikacijski kanal točka-točka v več prostorsko porazdeljenih kanalov, s tem pa se poveča zmogljivost.

Danes najdemo preprost MIMO tako rekoč v vseh komunikacijskih omrežjih, kot so UMTS, IEEE 802.11xx, IEEE 802.16 in LTE, predvsem v sestavi dveh sprejemnih in dveh oddajnih anten (2x2 MIMO). Na splošno je število anten na eni ali drugi strani lahko neomejeno, kar prinaša izjemne prednosti, ki bodo zelo koristne v 5G. Veliko anten dopolnjuje tehnika oblikovanja antenskih snopov, ki bo še posebno koristna pri komunikacijah na kratke razdalje oziroma frekvencah nad 60 gigahercev. Mobilnemu terminalu ves čas sledi ozek antenski snop, tudi ko ta prehaja med celicami. K sreči so dimenzije anten na višjih frekvencah majhne, zato so mogoči sistemi več sto ali več tisoč anten.

MIMO za več uporabnikov ali MU-MIMO (angl. multi user MIMO) uporablja pri oddaji več anten, sprejema pa več sprejemnikov, vsak s svojo anteno. V tem primeru je oddajnik tisti, ki pozna lastnosti kanala. Signali, ki jih oddajata obe anteni, so kombinacija simbolov obeh uporabnikov. Prednost tehnike MU-MIMO je v tem, da je velika procesorska moč potrebna le na strani oddajnika, sprejemniki pa so lahko razmeroma preprosti in tako tudi cenejši.

Masovni MIMO

Masovni MIMO pomeni sistem z več sto ali tisoč antenami, ki delujejo koherentno in prilagodljivo. Klasično pojmovanje tehnologije MIMO razširimo na skupino anten z velikim številom nadzorovanih snopov. O masovnem MIMU začnemo govoriti pri več kot osmih antenah, običajno jih je več sto. Sistem je nadzorovan, ko imajo antene prilagodljive snope. Bistvo masovnega MIMA je v tem, da ima bazna postaja veliko več anten, kot je mobilnih terminalov, ki sprejemajo. Prednosti so uporaba poceni nizkoenergijskih komponent, manjše zakasnitve, poenostavitve MAC-ravnine in odpornost proti motnjam in namernemu motenju.

Prvi del razvoja novega radijskega vmesnika za 5G je skoraj končan, tako da bomo prve standarde dobili že letos. Nekateri proizvajalci opreme že zdaj ponujajo elemente novih omrežij, ki so namenjeni prvim testiranjem operaterjev.

Tudi udeleženci zimskih olimpijskih iger v Pjongčangu bodo deležni storitev, ki slonijo na tehnoloških dosežkih 5G, kot so samovozeča vozila (tretje ravni), UHD-oddajanje v živo in navidezna resničnost. Za te storitve so v Južni Koreji rezervirali frekvenčni pas 28 GHz. Do dokončnih rešitev bomo morali počakati do leta 2020, ko naj bi bila končana še druga faza razvoja in zgrajena prva prava omrežja 5G. To pa bo čas poletnih olimpijskih iger na Japonskem.

V Sloveniji si želimo biti na tekočem s svetovnim dogajanjem na tem področju, zato bo ljubljanska fakulteta za elektrotehniko v dneh od 31. januarja do 2. februarja izvedla strokovni seminar radijske komunikacije (srk.fe.uni-lj.si), na katerem bodo svoje prispevke predstavili priznani domači in tuji predavatelji z univerz, inštitutov in podjetij.