Інфокоммунікаційні технології та системи звʼязку
В даний час розвиток телекомунікаційних технологій відбувається швидкими темпами, і з цього випливає, що зростають і потреби в ресурсах бездротових мереж. Але радіоресурс не безмежний, і для його оптимального використання розробляються нові специфікації, що визначають роботу перспективних бездротових мереж звʼязку, а також оптимізуються вже існуючі методи доступу до них. У силу сформованої еволюції різні технології радіодоступу, що входять до складу гетерогенних бездротових мереж, значно фрагментовані і недостатньо інтегровані між собою. Це стримує їх подальший розвиток, а також створює розрив між вимогами користувача додатків і ефективністю функціонування сучасних систем мобільного доступу.
З огляду на сформованій еволюції різні технології радіодоступу, що входять до складу гетерогенних бездротових мереж, значно фрагментовані і недостатньо інтегровані між собою. Це стримує їх подальший розвиток, а також створює розрив між вимогами користувача додатків і ефективністю функціонування сучасних систем мобільного доступу.
Сучасні мережі мобільного доступу крім класичної телефонії надають користувачам здійснювати передачу різнорідного трафіку, а в перспективі забезпечать підтримку додатків Інтернету речей, хмарних обчислень і програмно-визначених мереж. Такі гетерогенні бездротові мережі тісно інтегрують між собою всі існуючі, а також перспективні технології радіодоступу, внаслідок чого виникає потреба вирішення виникаючих науково-технічних завдань.
Для підвищення якості обслуговування в системах 5G потрібно узгоджене взаємодія стільникових технологій радіодоступу, таких як система LTE, з сімейством технологій локального доступу WiFi. Крім того, перспективним видається використання прямих зʼєднань між призначеними для користувача пристроями для зниження навантаження на інфраструктуру каналів звʼязку [5].
Мережі звʼязку пʼятого покоління
, т.зв. 5G, укупі з аналізом великих даних (Big Data) і інтернетом речей (IoT) покликані стати однією з основ цифрової економіки, головною рушійною силою якої повинен стати штучний інтелект (ШІ). За 40 з невеликим років змінилося чотири покоління мереж мобільного звʼязку. Якщо стільникові мережі першого покоління 1G давно зникли, то мережі 2G, 3G і 4G досі продовжують експлуатуватися. Більш того, деяка кількість успадкованої інфраструктури мереж 3G і 4G органічно увійде до складу мобільних мереж пʼятого покоління 5G.
5GPPP – (5G Infrastructure Public Private Partnership), вважається одним з провідних партнерств по стандартизації 5G. Організація ставить амбітні цілі щодо розробки вимог до мережі 5G, наприклад, захоплення ємності мережі в 1000 разів, зниження енергоспоживання призначених для користувача пристроїв на 90%, істотне скорочення часу створення нових сервісів і послуг, повне і безпечне мережеве покриття і з пренебрежимо малою затримкою передачі даних, та ін. [3–4].
Мережі 5G значно розширюють обмежений функціонал мобільних мереж попередніх поколінь. Основними функціональними особливостями мереж 5G є наступні:
Мережі 5G здатні значно підвищити швидкість передачі даних через різні технології радіодоступу (RAT), і за допомогою залучення нових спектрів радіочастот 5G NR (New Radio). Користувач отримує практично необмежену смугу пропускання, як для домашнього використання різних сервісів, так і для цілей підприємств (Immersive Telepresence, Industrial IoT та ін.)
Метою дослідження є підвищення ефективності організації моделей колективного використання ресурсу для гетерогенних бездротових мереж високої щільності.
Основні завдання дослідження:
Обʼєкт дослідження : Мережі звʼязку пʼятого покоління
Предмет дослідження : Колективне використання ресурсу для гетерогенних бездротових мереж високої щільності.
Розробка мобільних технологій широкосмугового доступу четвертого покоління 4G була завершена в 2011 році, і в міру її повсюдного впровадження на практиці виникла необхідність проектування і розробки мобільних мереж пʼятого покоління 5G.
Для кінцевих користувачів можна визначити такі вимоги до нового покоління мереж:
Поряд з ємністю мережі і швидкістю зʼєднання, важливим фактором є рівномірність мережевого покриття, що впливає на якість обслуговування і сприйняття послуг користувачем. Іншим важливим аспектом є те, що стільникові системи в ліцензованому спектрі часто поєднуються з мережами, що функціонують на неліцензованих частотах (WiFi). При цьому сучасні абонентські термінали мають можливість використання декількох технологій радіодоступу одноразово, що дозволить розвантажувати стільникові мережі за допомогою прямого зʼєднання пристроїв в неліцензованих спектрі.
Згідно з прогнозами обсяги мобільного трафіку, що передається по бездротових мережах звʼязку, будуть істотно зростати протягом наступних років. Внаслідок цього існуючі на даний момент мережі широкосмугового доступу будуть схильні до значних перевантажень за недостатню ємність радіомереж, що призведе до різкого зниження якості обслуговування.Розвантажити мережі буде можливо при використанні прямого підключення абонентських пристроїв. Сусідні термінали можуть взаємодіяти і обмінюватися даними безпосередньо, без залучення мережевої інфраструктури, що дозволить істотно збільшити ємність систем звʼязку зі зростанням кількості задіяних пристроїв [3].
Основними стимулами зростання кількості переданих через мережі звʼязку призначених для користувача даних є висока популярність мультимедіа & ndash; додатків, широке розмаїття моделей абонентських терміналів, а також велике різноманіття ресурсоємних додатків і сервісів. Очікується, що навантаження на системи мобільного звʼязку зросте в 10–100 разів до 2030 року, і існуючі мережі 4G можуть з нею не впоратися. Як наслідок, підвищення ефективності використання вже доступного системам бездротового спектра може бути недостатньо для досягнення необхідних показників продуктивності. У цьому є важливим як призначення нових радіочастот для ексклюзивного використання бездротовими мережами доступу, так і більш ефективне застосування частот загального користування для потреб операторів мобільного звʼязку. Трьома головними рішеннями для збільшення ємності мереж є радикальне ущільнення мережі, масивні системи MIMO і звʼязок на надвисоких частотах. [10].
Малюнок 1 – Основні способи збільшення ємності систем 5G
(швидкість анімації – 7 кількість кадрів – 6)
З урахуванням різноманітності вимог, що предʼявляються безліччю додатків, основним принципом розвитку системи 5G є універсальність і гнучкість в обслуговуванні користувачів різних типів. Крім цього повинні бути враховані обмеження, повʼязані з енергоспоживанням пристроїв і ефективністю використання спектральних ресурсів. Система 5G, маючи широкий діапазон заявлених можливостей, може змінювати значення окремих ключових параметрів в залежності від умов конкретного застосування.
Для трьох введених класів сценаріїв 5G на малюнку наведено очікуваних рівень їх важливості і проведена умовна градація за категоріями високою, середньою і низькою значущості.
Малюнок 2 – Ключові особливості сценаріїв застосування технології 5G
В сценаріях мобільного широкосмугового доступу найбільш важливими виявляються сприймається користувачем швидкість передачі даних, мобільність, а також забезпечення високої енергетичної та спектральної ефективності.
В сценаріях, які передбачають надійність взаємодії пристроїв з низькою затримкою, першорядної важливості набуває оперативність доставки інформації, наприклад, для забезпечення роботи критично важливих додатків. Для сценаріїв з масовим міжмашинної взаємодії потрібна висока щільність підключених пристроїв, повʼязана з їх дуже великим числом.
В ході подальшого розвитку гетерогенних мереж 5G можуть виникнути додаткові вимоги, спрямовані на забезпечення їх більш гнучкого, надійного і безпечного функціонування при організації всіляких додатків і послуг, які будуть виникати в подальшому.
Як зазначалося вище, обмеження по ємності і якості зʼєднання в мобільних мережах в порівнянні з вимогами 5G обумовлюють необхідність більш тісної інтеграції стільникових і локальних мереж доступу. На малюнку 3 схематично показана сучасна гетерогенна мережа HetNet стільникового оператора.Система HetNet включає в себе ієрархічну структуру сот різного розміру, включаючи макростільниками для забезпечення безшовного покриття, базового доступу і мобільності, а також різні малі стільники (пікосоти, фемтосоти, точки доступу WiFi, суміщені LTE – WiFi модулі та ін.). Відповідне обладнання доступу має більш низьку потужність передачі і вартість, дозволяючи підвищити ємність системи за рахунок скорочення відстані між мережевою інфраструктурою та абонентом в областях з високою потребою в обслуговуванні.
Малюнок 3 – Ключові особливості сценаріїв застосування технології 5G
Перспективні технології 5G можуть запропонувати набір важливих поліпшень, перш за все спрямованих на збільшення ємності системи звʼязку, що включає в себе: