16-17 мая в Москве проходил Форум "Эволюция сетей мобильной связи – LTE Russia & CIS 2012". Лидия Варукина, к.т.н., представитель головного технологического офиса в России, Nokia Siemens Networks, По законам эволюции... Конспект выступления.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Какие тенденции прослеживаются в развитии технологий радиодоступа?

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Прослеживаются четкие циклы между сменами поколений сотовой связи – порядка 10 лет. Такой срок прошел при переходе от 2G/GSM к 3G/UMTS. 9 лет прошло между стандартизацией 3G/UMTS и 4G/LTE. Примерно столько же – между внедрениями сетей по этим технологиям. Не является ли такая цикличность указанием на то, что в скором времени следует ожидать появления технологии сотовой связи следующего поколения? Условно назовем его – поколением Х.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Тенденции в росте пропускной способности также указывают на то, что есть некоторая закономерность. Каждому последующему поколению радиодоступа соответствует рост пиковых скоростей примерно на порядок. Например, при переходе от 2G к 3G/UMTS скорости выросли с 200 Кбит/с до 2 Мбит/с. В 4G/LTE пиковые скорости уже порядка 100 Мбит/с. В LTE Advanced ожидаем пиковых скоростей примерно в 100 Мбит/с. Не означает ли это, что в следующем поколении пиковые скорости достигнут порядка 10 Гбит/с?

Конечно, при этом средние скорости примерно на порядок ниже. Но и здесь четко заметна тенденция. Если в 3G/HSPA средняя скорость в соте в городских условиях составляла 2-3 Мбит/с (варьируется от размера соты, от количества абонентов, от нагрузки в сети), в LTE средние скорости – это десятки Мбит/с. В LTE-Advanced результаты моделирования показывают средние скорости порядка сотен Мбит/с. Не означает ли это, что в сетях следующего поколения, примерно лет через 10, средние скорости будут составлять порядка 1 Гбит/с на сектор, на несущую?

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Каким образом могут быть получены требуемые пиковые скорости? Давайте условимся, что мы говорим о 10 Гбит/с. Это или расширение каналов, такие скорости достижимы в каналах порядка 200 МГц, или при использовании схем модуляции до 256 QAM. И при повышении порядка MIMO.

В этом примере учитывалась схема MIMO 8x8, которая потенциально позволяет увеличить пропускную способность канала в 8 раз по сравнению с системой 1х1. Естественно, в хороших условиях распространения радиоволн, при высоком отношении сигнал/шум, в малых сотах.

Конечно, уместен вопрос: а возможна ли практическая реализация схем 8x8? Все мы знаем, насколько малыми должны быть терминалы. Можно ли в них уместить 8 модемов? Думаю, что нет. Но можно предположить, что полным ходом будут развиваться технологии multiuser MIMO. Когда доступ к каналу на одних и тех же частотных ресурсах будут осуществлять несколько пользователей. На одних и тех же абонентских терминалах, оснащенных двумя приемопередающими ветвями.

Как в данном примере можно считать MIMO 8x8? Это 8 антенн на базовой станции, и 4 одновременно работающих абонентских терминала, у каждого из которых по две приемопередающих ветви.

Возможно увеличение схем модуляции до 256 QAM. Естественно, работать это все будет только в хороших условиях приема и при условии, что абонентские терминалы смогут обрабатывать информацию, сигнально-кодовую конструкцию столь высокого порядка. Будут обладать для этого достаточной производительностью.

Отсюда вычитаем 20% заголовков и получаем, что пиковые скорости у нас будут составлять 10 Гбит/с. Примерно такого порядка у нас могут быть радиоканалы.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Пока никто не придумал технологии доступа лучше, чем OFDM. Технология, которая позволяет передавать высокоскоростные данные, позволяет работать с каналами большой ширины. И при этом очень эффективно справляется с многолучевостью. Не подвержена частотно-селективным замираниям, поскольку информационные потоки разбиваются на отдельные подпотоки и передаются на отдельных поднесущих. И в пределах каждой поднесущей у нас замирания есть, но они не частотно-селективные.

Комплиментарной парой к технологии OFDM идет технология MIMO. Технологию MIMO практически невозможно реализовать в системах с радиодоступом CDMA, канал передается на одной несущей большой ширины. Перед тем, как заниматься обработкой сигнала MIMO, его необходимо вначале эквализировать. Канал большой ширины, эквализировать его достаточно сложно. Нужны большие вычислительные ресурсы, тратится на это большой процессорный ресурс. И результат, в общем-то, не очень хороший. Это приводит к увеличению сложности абонентских терминалов. В данным момент в мире есть только две сети CDMA, которые используют технологию MIMO.

С OFDM технология MIMO работает прекрасно.

Всем хороша технология OFDM, но есть один недостаток. Сети, работающие с OFDM предусматривают использование одной и той же частоты по всей сети. Все базовые станции работают на одной и той же частоте. Это означает, что на краях сот очень высокий уровень помех, очень низкое отношение сигнал/шум.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Низкое отношение сигнал/шум – низкая пропускная способность. В сетях LTE, в сетях, работающих на одной частоте, возникает огромная разница в пропускной способности в центре соты и на краях соты.

Основным направлением в разработке сетей следующих поколений, возможно, станет выравнивание возможностей работы абонентов по всей площади сети.

Как это можно было бы сделать?

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Итак, в нашем базовом сценарии (фрагмент рисунка слева) – средняя скорость в центре соты и по краям соты значительно отличается. Часть пользователей недополучают заявленные для них гарантированные ресурсы. Но если применить некоторые схемы MIMO и процедуры скоордированной связи, можно улучшить работу абонентских терминалов на краях соты.

Или можно в зонах неуверенного приема по краям сот устанавливать микросоты, уплотняя сеть. Это тоже очень эффективный способ повышения пропускной способности.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Итак, о тех режимах, которые бы помогли выровнять режим работы по площади соты.

Режимы MIMO

Здесь могут использоваться или технологии динамического формирования диаграммы направленности (beamforming), или могут использоваться технологии разнесенной передачи или разнесенного приема (это также варианты MIMO). На картинке показано, как при удвоении числа приемопередатчиков, или при удвоении порядка MIMO, можно получить энергетический выигрыш, как минимум, 3дБ, а то и больше. Чем больше приемных ветвей мы используем, тем больше выигрыш. Причем при увеличении числа приемных ветвей достигается больший выигрыш, чем при увеличении числа передающих ветвей.

По нашим оценкам, при переходе от схемы MIMO 2x2 к схеме 4х2 на краю соты можно получит выигры 50%.

И второй вариант уменьшения эффекта внутрисистемных помех или борьбы с этим эффектом, - это скоординированная многоточечная связь (CoMP – coordinated multipoint). Что под этим подразумевается? Подразумевается работа абонентской станции на краю соты одновременно с несколькими базовыми станциями. Или скоординированное между этими базовыми станциями выделение ресурса. Ресурсы пользователю выделяются те, где обеспечивается наивысшее отношение S/N. Наилучшие условия приема обеспечивают наиболее высокую скорость передачи данных.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Я уже отмечала, что повысить производительность на краях соты можно с использованием сот малого радиуса действия – фемтосот, пикосот.

В таблице приведены расчеты, исходя из предела Шеннона, скорости, достижимые на краях сот.

Скорости 2 Гбит/с на краю соты в системе связи следующего поколения будут доступны только при радиусе соты до 50 метров.

На макроуровне при радиусе соты порядка 1 км на краю соты на линии вниз достижимы скорости порядка 1 Мбит/с.

То есть микросотовое покрытие по параметру «скорость на краю соты» имеют явное преимущество.

И еще один интересный момент – бюджет линии 100 дБ соответствует бюджету WiFi. Возникает закономерный вопрос – не разумнее ли для построения малых сот использовать распространенную технологию WiFi. В нашем понимании за этим большое будущее – за использованием технологии WiFi в интересах операторов.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Таким образом сети у нас будут многоуровневые. Будет макроуровень для создания непрерывного покрытия, но не будет гарантированы большие скорости. Будут пикосоты для «закрытия» зон с высокой плотностью абонентов. Будут фемтосоты, будут хотспоты WiFi для создания «точечного» покрытия и для обслуживания абонентов с малой подвижностью. Такой мы видим сеть радиодоступа в будущем.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Если говорить о скоростях передачи, то можно говорить о средней скорости, достижимой в городе. В качестве референсного случая мы рассматриваем микросоты с радиусом порядка 500 метров, работающие в диапазоне выше 2 ГГц.

В LTE сейчас спектральная эффективность системы при использовании MIMO 2x2 составляет порядка 2 бит/с на Гц. Это означает, что в полосе 10 МГц на линии «вниз» средняя скорость при усреднении по всему городу будет составлять порядка 20 Мбит/с.

За счет повышения схем MIMO, за счет использования coordinated multipoint (CoMP) и применения новых алгоритмов обработки сигналов на приемной стороне, в том числе, и алгоритма подавления помех в приемнике, можно будет повысить спектральную эффективность примерно в 3 раза. Вырастет она примерно до 6-7 бит/с на Гц.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Немаловажное значение имеет наличие спектра у оператора, ширина каналов. На рисунке показаны данные на 2010 год, когда для операторов были доступны ресурсы в трех диапазонах частот : 900, 1800 и 2.1 ГГц. То есть в общей сложности на сотовую связь можно было выделить порядка 400 МГц.

По нашим оценкам в ходе стандартизации, высвобождения частотных ресурсов, конверсии спектра, к 2020 году лицензированный спектр составит где-то порядка 1100 – 1200 МГц в диапазонах ниже 6 ГГц.

Кроме того, за счет использования нелицензированного спектра, например, системами Mi-Fi можно повысить в общей сложности спектр, используемый операторами сотовой связи до 1700 МГц. Это примерно 28% от всего спектра ниже 6 ГГц.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Если говорить о производительности цифровых устройств. Уже более 50 лет действует закон Мура. Каждые полтора года удваивается степень концентрации электронных компонентов на кристаллах.

Но достаточно скоро минимальный размер компонентов на кристалле достигнет размеров атома. Казалось бы, закон Мура при этом прекратит свою работу. Но увеличивать производительность, увеличивать число компонентов на кристалле можно и наращивая число процессорных ядер.

Этот закон распространяется и на аппаратные средства сети сотовой связи.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

По нашим оценкам, если сейчас есть базовые станции с baseband units, со средствами обеспечения производительности 1 Гбит/с, то к 2020 году, а это примерно 7 периодов по 1.5 года (2^7 = 128), производительность может вырасти более, чем в 100 раз. Это означает от 1 Гбит/с до 100 Гбит/с на базовую станцию.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Мы приходим к балансу, показанному на картинке. Наши цифровые устройства повысят производительность примерно в 100 раз. У нас будет больше лицензированного спектра, примерно в 3 раза. Спектральная эффективность тоже повышается в три раза. За счет использования, прежде всего, сот малого радиуса действия, у нас повысится число базовых станций, число сот - примерно в 10 раз. С 5 млн до 50 млн по всему миру. В целом мы видим явную тенденцию увеличения трафика, увеличения производительности сетей сотовой связи примерно в 100 раз.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Будет ли поколение xG новым поколением или речь пойдет, скорее об эволюционном развитии 4G?

Как развивались системы радиодоступа? В 1987 году при выборе GSM в качестве базовой технологии уже были предложения выбрать CDMA. Тогда остановились на TDMA. При выборе базовой технологии радиодоступа для 3G уже существовала OFDM, но тогда остановились на CDMA. При выборе технологии для реализации 4G/LTE выбрали OFDMA. Но есть ли сейчас какая-то альтернатива? Похоже, нет...

Это приведет к тому, что сейчас и в ближайшем будущем использоваться будет тот же метод радиодоступа. Он, конечно, будет оптимизирован для борьбы с внутрисистемными помехами, для скоординированной связи. Поэтому мы можем условно назвать этот метод связи «скоординированный OFDMA».

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Какие еще интересные предпосылки есть к появлению новых стандартов. Это конкуренция между технологиями. Когда в 3GPP выбирали технологию 3G, в США трудились над технологией CDMA и она явно была конкурентом.

Когда затем появился WiMAX, в 3GPP умножили усилия по разработке – нужна была аналогичная технология для линейки стандартов 3GPP. Но на этот раз ситуация отличается. Эффективность OFDMA, вероятно, самая высокая на сегодня. И все технологии развиваются сейчас в этом направлении. CDMA переходит на LTE, WiMAX переходит на LTE. Альтернативы практически нет. А как же следующее поколение? Ждать ли революции?

В моем понимании, революции не будет, а будет плавное эволюционное развитие технологии радиодоступа.

Алексей Бойко, редактор MForum.ru

Фокус, при разработке последующих решений для сотовой связи сместится в сторону обеспечения равномерности радиопокрытия или равномерности качества радиоуслуг по всей площади сотовой сети. В сторону решений, позволяющих снизить стоимость передачи единицы информации. В сторону улучшения масштабируемости сети, когда одни и те же базовые станции можно будет использовать, как для макросети, так и для микро уровня.

Немаловажное значение имеет энергопотребление. Нужны решения, которые бы позволяли, например, абонентским терминалам дольше работать без подзаряда. Для конечного пользователя очень важны задержки в сети, что особенно важно для ситуаций, когда пользователь работает с потоковыми данными из интернета, например.

Требуется, конечно, обратная совместимость, когда наши новые решения должны будут обеспечивать работу и в сетях предыдущих поколений. Естественно, нужна и спектральная эффективность. Важен и столь любимый некоторыми показатель – пиковая скорость, но это уже не самое главное. Спасибо за внимание! (апплодисменты)

Алексей Бойко, редактор MForum.ru