CC BY
40
эффекта.
Использованные источники:
1. Грудина С. В. Актуальность внедрения фитнес-технологий в учебно-воспитательный процесс школьников [Текст] // Теория и практика образования в современном мире: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, ноябрь 2012 г.). — СПб.: Реноме, 2012. — С. 70-72. — URL https://moluch.ru/conf/ped/archive/64/2982/ (дата обращения: 01.10.2018).
2. Зорина Л. Я. Мир фитнеса — мир здоровья (из опыта работы) // Образование и воспитание. — 2017. — №4. — С. 12-14. — URL https://moluch.ru/th74/archive/67/2686/ (дата обращения: 01.10.2018).
УДК 621.396
Касаткин Т.В. студент 4 курса
факультет «Информационные системы и технологии»
Пальмов С.В., к.т.н.
доцент
кафедра «Информационные системы и технологии»
ФГБОУ ВО ПГУТИ Россия, г. Самара
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ 5G
Аннотация: Данная статья описывает концепцию 5G и технологий, предшествующих ей. Выявлены ее достоинства и недостатки в сравнении с предыдущими технологиями. Представлены требования к технологии 5G, результаты тестов и исследований, примеры новых технологий на основе 5G, возможности и будущие области применения.
Ключевые слова: беспроводная технология 5го поколения, 5G, миллиметровые волны, малые сотовые сети, сетевое оборудование, massive MIMO, beamforming, формирование луча, полный дуплекс.
Kasatkin T. V. 4th year student
Faculty of "Information systems and technologies" Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics
Russia, Samara Palmov S. V. Ph.D. of Engineering Sciences associate professor of the department "Information systems and technologies" Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics
Russia, Samara
OVERVIEW OF 5G TECHNOLOGY
Abstract: This paper describes the concept of 5G and its predecessors. The authors conducted an analysis to identify the advantages and disadvantages of the
new technology. The work contains a list of requirements for 5G, the results of tests and studies, examples of new technologies, which are based on 5G. Future applications of the technology are also considered.
Keywords: 5th generation wireless technology, 5G, millimeter waves, small cellular networks, network equipment, massive MIMO, beamforming, beamforming, full duplex.
5G - это ни что иное, как пятое поколение мобильной связи, являющееся последователем существующего телекоммуникационного стандарта 4G. На момент написания статьи, стандарты для 5G-сетей еще окончательно не разработаны. Создание и внедрение стандарта связи, предназначенного для использования в мировом масштабе, представляет собой серьезную проблему, поскольку влечет за собой не только возможность доступа к более качественным сервисам, но порождает проблему несовместимости с более ранними поколениями стандартов.
Раз в десятилетие появляется новое поколение мобильных сетевых технологий: наиболее ранние мобильные сети появились в 80-х гг. XX века, а GSM-сети стало возможным использовать лишь в позапрошлом десятилетии. SG-технологии были внедрены на рубеже тысячелетий; LTE-сети начали разворачивать в начале этого десятилетия. Каждое поколение мобильной связи было нацелено на исправление недостатков своего предшественника. Кратко рассмотрим основные возможности «G -стандартов».
1G - родоначальник рассматриваемой линейки стандартов. Подразумевал применение существующих не цифровых технологий, датируемых восьмидесятыми годами прошлого века. Включал в себя следующие стандарты: AMPS (Advanced Mobile Phone Service), TACS (Total Access Communications System), NMT (Nordic Mobile Telephony) и т.д.
Таким образом, 1G представлял собой совокупность разнородных стандартов, которые было невозможно использовать в рамках одной сети. Объединяло их лишь то, что все они относились к классу аналоговых систем и поддерживали только совершение голосовых вызовов. Очень часто в них использовалось частотное разделение каналов (Frequency Division Multiplie Access, Множественный Доступ с Частотным Разделением). Безусловным достоинством технологии 1G являлся сам факт возможности связи с подвижным или стационарным объектом посредством компактной радиостанции. Недостатков же было заметно больше: дорогое оборудование, высокая абонентская плата, низкое качество связи, невысокий уровень безопасности, уже упоминавшаяся выше несовместимость стандартов и т.д. [1]
2G - следующее поколение, кардинально отличающееся от 1G, поскольку оно было цифровым. Состоит из двух подвидов: TDMA и CDMA. В первом используется временное разделение каналов, а во втором -кодовое, что порождает ряд преимуществ, проявляющихся в нивелировании
недостатков предыдущего поколения стандарта. Наибольшее
распространение получили следующие реализации 2G: IS-95 (CDMA), GSM и PDC (TDMA).
Цифровизация позволила реализовать те возможности, которые ранее были недоступны в силу ограничений, накладываемых аналоговым способом передачи: шифрование разговоров абонентов, служба коротких сообщений, мобильный интернет и ряд других. Всё это позволяет сделать заключения, что качество предоставляемых услуг, а также общая эффективность работы сети повысились. Тем не менее, к недостаткам следует отнести слабый сигнал в высокочастотной области и по-прежнему высокую стоимость абонентского доступа к сети, хотя количество пользователей, безусловно, увеличилось.
3G - это следующее, третье, поколение стандарта, регламентирующего связь с подвижными объектами. Можно сказать, что оно является реакцией на общемировые тенденции, проявляющиеся в увеличении именно интернет -трафика. Количество пользователей, а также число сервисов, предоставляемых Сетью, значительно увеличилось и появилась потребность создания мобильных решений: возможности стационарного компьютера подошли к своему пределу. Именно поэтому 3G ориентирован, в первую очередь, на предоставление высокоскоростного доступа к сети передачи данных. Самыми распространенными реализациями стандарта являются: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) и CDMA2000 (развитие вышеупомянутой CDMA). Обе базируются на кодовом разделении. Платой за высокоскоростной доступ к сети стало повышение стоимости: увеличение частоты сигнала повлекло за собой необходимость увеличения числа базовых станций [2].
4G - четвертый этап в развитии глобального телекоммуникационного стандарата, отвечающего ряду повышенных требований, установленных Международным союзом радиосвязи. Пропускная способность для абонентов составляет при идеальных условия до полутора сотен мегабит в секунду. Использует следующие технологии:
• LTE Advance (LTE-A) позволяет увеличить скорость передачи информации;
• WiMAX 2 (WMAN-Advanced, IEEE 802.16m) телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств.
4G использует диапазон от 2 - 8 ГГц. Это его основное преимущество. Сеть экономически эффективна, поскольку имеет низкую стоимость за бит. Беспроводная сеть 4-го поколения обеспечивает высокое качество обслуживания и высокую безопасность. Существует также некоторые недостатки этой сети: потребление батареи при использовании 4G весьма велико, трудная реализация сети (сложное и дорогое оборудование). [3]
С увеличением числа пользователей, использующих 4G-сеть, последняя в скором будущем достигнет своего предела. Поэтому возникает
потребность в новом поколении технологии, пятом этапе. Новая сеть сможет обрабатывать на три порядка больше трафика по сравнению с сегодняшней сетью и будет обеспечивать скорость на порядок выше. Такая скорость позволит реализовать больший функционал и открыть новые возможности во многих областях. Рост скорости передачи данных сделает задержку минимальной, что важно, например, в автоматизации вождения (автопилот). Миллионы датчиков, работающих в онлайн-режиме с незначительной задержкой, резко повысят управляемость и безопасность ключевых инфраструктурных проектов. Основным сегментом станут неодушевленные абоненты - интернет вещей, - соединенные сетью предметы бытового или промышленного назначения, такие предметы в скором будущем будут объединены в группы «умный город», полностью вобрав в себя функции сервиса и контроля. Высокая скорость передачи данных значительно расширит возможности для общения и развлечения, например, общение с друзьями на другом континенте посредством виртуальной реальности с эффектом присутствия в режиме онлайн. [4]
Альянс мобильных сетей следующего поколения (Next Generation Mobile Networks, NGMN) определил рад требований к стандартам 5G:
• Скорость передачи данных десятки Мбит/с для десятков тысяч пользователей одновременно; сто Мбит/с в условиях мегаполисов.
• Одновременное подключение сотен тысяч беспроводных датчиков.
• Увеличение охвата и эффективности передачи сигнала.
• Значительное снижение задержки по сравнению с предыдущим поколением. [5]
Сейчас развиваются пять новых технологий, которые появились как самостоятельные элементы сетей нового поколения:
Миллиметровые волны. Спектр частот есть и будет основной проблемой для успешного и раннего развертывания 5 G. Многие беспроводные устройства связи используют определенный диапазон частот до 6 ГГц. В настоящее время этот частотный спектр становится все более насыщенным из-за увеличивающегося количества пользователей и устройств. Одним из решений может быть выход за пределы низкочастотного спектра 700 МГц - 2.6 ГГц, который используется сегодня большинством пользователей, и переход к более высоким диапазонам спектра, таким, как миллиметровые волны. Диапазон частот миллиметровых волн составляет от 30 ГГц до 300 ГГц. Такой раздел спектра никогда не использовался прежде, следовательно, большее число полос сможет пропускать большее количество пользователей. Но у миллиметровых волн есть один главный недостаток. Эти волны подвержены сильному затуханию при распространении в атмосфере Земли и не могут преодолевать стены, а также любые другие препятствия. Земные радиосистемы миллиметрового диапазона имеют малую дальность действия и сильную зависимость от рельефа местности.
Малые сотовые сети. Сегодня беспроводные сети используют большие высокопроизводительные сотовые вышки для передачи сигналов на большие расстояния. Миллиметровые волны не способны преодолевать препятствия, это означает что, если устройства находятся за любыми препятствиями, они теряют сигнал. Малые сотовые сети способны решить эту проблему, используя тысячу небольших вышек мини-базовых станций. Эти малые мини-базовые станции расположены ближе друг к другу, чем традиционные вышки. Малые сотовые сети способны передавать сигнал вокруг препятствий. Это будет актуально внутри крупных городов. Пользователь будет перемещаться вокруг препятствий, а его устройство сможет автоматически переключаться с одной ближайшей малой вышки, на другую ближайшую малую вышку. [6]
Massive MIMO (M-MIMO) - это технология, в которой количество пользовательских терминалов меньше, чем количество антенн базовой станции. MIMO поддерживает прием и передачу множества потоков данных. Современные сотовые базовые станции имеют дюжину портов для антенн обработки сотового трафика. Особенностью базовой станции MIMO является использование многоэлементных цифровых антенных массивов, с количеством антенных элементов 128, 256 и более. Использование этой технологии может повысить пропускную способность сети в 20 раз. Так же имеется собственный недостаток - MIMO-антенны способны передавать информацию во всех направлениях одновременно, и все эти сигналы вызывают большие помехи в случае их наложения друг на друга. Для уменьшения взаимных помех, должно будет применяться такое технологическое решение как автоматическое формирование луча диаграммы направленности в сторону абонента - Beamforming. [7]
Beamforming - это технология, подразумевающая формирование сигнала антенны в виде сфокусированного луча, ориентированного в сторону абонентского устройства с возможностью изменения направленных свойств при изменении положения оборудования. Процесс заключается в следующем: предполагается, что два или более устройства находятся в городе, окруженные препятствиями, и совершают звонок. Сначала базовая станция с M-MIMO получает все сигналы, фиксируя время их прибытия и направление. Затем она использует специальные алгоритмы обработки сигналов, чтобы определить откуда поступает каждый сигнал, и определяет наилучший маршрут передачи данных по воздуху каждому отдельному абоненту. Это в свою очередь привносит новую технологию, полнодуплексную связь. [8]
Полный дуплекс. Современные сотовые базовые станции, как и рации имеют антенну, которая в определенный момент времени может выполнять лишь одну задачу, либо передавать данные, либо получать их, так называемая полудуплексная связь. Это происходит из -за принципа взаимности, вследствие этого принципа радиоволны перемещаются как вперед, так и назад на одной и той же частоте. Решение этой проблемы
заключалось в том, чтобы отправлять радиоволны по очереди или направлять их по разным частотам. Но теперь можно передавать данные намного эффективнее. Учеными были разработаны кремниевые транзисторы, используемые в качестве высокоскоростных переключателей, которые позволяют антенне не принимать волну, идущую назад, это означает что на каждой волне одновременно смогут передаваться намного больше данных. Эта система более эффективна, и означает что станция может обрабатывать больше входящих и выходящих данных одновременно. [9]
Технология 5G имеет решающее значение для построения современного информационного общества. Следует отметить, что переход к сети 5G будет постепенным, предшествующие технологии будут оставаться востребованными еще долгое время. Замена будет происходить постепенно, важно не только развернуть сеть, но и создать условия для пользования этой сетью. А это - новые устройства, приборы для интернета вещей и машинно-машинного взаимодействия. Таким образом, новая технология связи даст существенный рывок для развития телекоммуникационной отрасли в целом, что в свою очередь повлечет изменения и внедрения новшеств во многих сферах жизни, к примеру, в обеспечении безопасности, в медицине, науке, культуре и экономике.
Использованные источники:
1. Поколение мобильной телефонии [Электронный ресурс] // 2010. 13 сентября. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/1G (дата обращения: 30.09.2018).
2. Технология сетей 3G сотовой связи [Электронный ресурс] // 2012. 28 мая. - URL: http://www.mobile-networks.ru/articles/tehnologija_setej_3g_sotovoj_syjazi.html (дата обращения 30.09.2018).
3. Mark Sullivan. 3G and 4G [Электронный ресурс] // 2012. 17 апреля. URL: https://www.networkworld.com/article/2187740/data-center/3g-and-4g-wireless-speed-showdown--which-networks-are-fastest-.html (дата обращения 30.09.2018).
4. Don Rosenberg. How will 5G internet change the world? [Электронный ресурс] // 2018. 18 января - URL: https://www.weforum.org/agenda/2018/01/the-world-is-about-to-become-even-more-interconnected-here-s-how (дата обращения 30.09.2018).
5. Guy Daniels. Are we ready for a 5G World Alliance? // 2015. 20 февраля [Электронный ресурс] - URL: https://www.telecomtv.com/content/5g/are-we-ready-for-a-5g-world-alliance-12190/ (дата обращения 30.09.2018).
6. 5G Future X: Unleashing the potential of 5G [Электронный ресурс] // 2018. 20 января - URL: https://networks.nokia.com/5g/5g-future-x (дата обращения 26.09.2018).
7. Di Yong. Massive MIMO is the future [Электронный ресурс] //
2017. 21 июня. - URL: https://www.huawei.com/en/about-huawei/publications/winwin-magazine/28/massive-mimo-2016 (дата обращения: 29.09.2018).
8. What is 5G? Everything you need to know [Электронный ресурс] // 2016. 21 ноября. - URL: https://www.techradar.com/news/whats-next-for-wi-fi-technology (дата обращения 30.09.2018).
9. Jo Best. The Race to 5G [Электронный ресурс] // 2014. 15 декабря -URL: https://www.techrepublic.com/article/does-the-world-really-need-5g/ (дата обращения: 30.09.2018).
