CC BY
98
Проанализировав теоретические и практические результаты, можно сделать вывод, что рекомендуемым теоретическим расстоянием между устройствами внутри бетонного помещения является расстояние, не превышающее 7 м, а для деревянного/гипсокартонного помещения, с учетом возможных преград - 14 м. Максимальное расстояние, при котором обеспечивалось соединение между координатором и оконечным устройством в реальных условиях при прохождении сигнала через различные по материалам и исполнению препятствия составило 12,1 м. При наличии явных преград нужно использовать маршрутизатор. Использование эффективного маршрута передачи данных обеспечивает внедрение технологии ZigBee в повседневную жизнь.
Литература
1. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. - СПб.: БХВ-Петербург, 2014. - 400 с.: ил. - (Электроника)
2. Arduino Forum - Index. - 2019 - URL: https://forum.arduino.cc
3. Петин В.А., Биняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 152 с.
4. XBee/XBee-Pro RF Modules Product Manual v1.xEx - 2019 - URL: https://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/ZigBee/XBee-Datasheet.pdf
5. ZigBee Alliance [Электронный ресурс], - www.ZigBee.org.
6. ZigBee Alliance. ZigBee Specification. Q4/2007 [Электронный ресурс], -http://www.ZigBee.org/en/spec_download/ZigBee_downloads.asp.
7. Варгаузин В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 [Электронный ресурс], -http://old.telemultimedia.ru/art.php?id=83&rid=9.
8. Четырехпозиционная фазовая модуляция со сдвигом квадратур (OQPSK) [Электронный ресурс], - http://digteh.ru.
9. Беспроводные сети ZigBee и Thread [Электронный ресурс], -http://www.wless.ru.
10. IEEE Computer Society. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). IEEE Std 802.15.4™-2006. [Электронный ресурс], -http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.
11. Соммер, У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino / У. Соммер. - СПб: БХВ-Петербург, 2012.
12. IEEE TG 15.4. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE standard for Information Technology, IEEE-SA Standards Board, 2008.
ТЕХНОЛОГИИ ДОСТУПА К СЕТИ 5G NR
И. А. Бабанов, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, [email protected]; Р.А. Андреев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «БИС», [email protected].
УДК 654_
Аннотация. В данной статье рассмотрены особенности процедур установления соединения сетей 5G NR (New Radio). Показаны типы и форматы преамбул при установлении соединения. Сделано сравнение с предыдущей технологией LTE и показана улучшенная гибкость процедуры случайного доступа к 5 G NR.
Ключевые слова: RACH; преамбула; 5G NR; OFDM; LTE.
5G NR NETWORK ACCESS TECHNOLOGIES
I.A. Babanov, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich, RSiV;
R.A. Andreev, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich, RSiV;
Annotation. In the realities of this article the features of the procedures for establishing a connection of 5G NR (New Radio) networks are considered. Types and formats of preambles when establishing a connection are shown. A comparison with previous LTE technology is made and the improved flexibility of the 5G NR random access procedure is shown.
Keywords: RACH; preamble; 5G NR; OFDM; LTE._
Введение
Технология 5G NR является логическим продолжением развития технологий LTE LTE-Advanced LTE-Advanced Pro. Данная технология призвана с одной стороны дать пользователям новые показатели Quality of Experience, услуги нового качества, ранее не доступные посредством сетей 4G или доступные лишь частично или условно. С другой стороны, с точки зрения операторов, технология призвана обеспечить большую гибкость в развертывании, конфигурировании и предоставлении сервисов.
Физический уровень новой технологии остался прежним. На момент выхода спецификации 3GPP 15.3 специфицировано использование ортогональных поднесущих OFDM. В дальнейших релизах анонсирована спецификация OFDM на физическом уровне, но на сегодняшний день все разворачиваемые сети 5G используют тот же OFDM принцип, что и сети предыдущего поколения.
Несмотря на использование технологии OFDM такого же как в сетях четвертого поколения, в направлении вверх используется CP-OFDM в отличие от SC-OFDM в LTE, существенно расширены возможные конфигурации и специфицированы новые диапазоны частот. Помимо дециметровых (дм) <3GHz, и сантиметровых (см) 3GHz < < 6GHz специфицирован и миллиметровый диапазон > 6Ghz. В зависимости от используемого диапазона предлагается различное расстояние между поднесущими.
Процедура случайного доступа
Процедура случайного доступа, определенная в стандарте LTE, претерпела мало изменений в стандарте 5G NR. Процедура случайного доступа в 5G NR сейчас выполняется в несколько шагов:
• Мобильная станция выполняет первичную и вторичную синхронизацию с
сектором.
• Далее мобильная станция считывает системную информацию, транслируемую в секторе.
• Когда мобильная станция получила всю системную информацию, она в частности знает используемую в данном секторе конфигурацию канала случайного доступа, и мобильная станция может сгенерировать 64 преамбулы в соответствии с требованиями стандарта.
До данного шага процедура ничем не отличается от используемой в сетях четвертого поколения. На следующем шаге мобильная станция должна отправить преамбулу, и вот тут может быть единственное различие в процедуре RACH c LTE.
В случае, если используется технология формирования направленного луча (Beam Forming), то отсылка должна производиться по лучу, который мобильная станция «слышит» лучше всего. Процесс выбора оптимального луча происходит в момент приема системной информации, и базовая и мобильная станции не должны менять используемый луч до окончания RRC процедуры.
Процедура случайного доступа заканчивается отсылкой преамбулы и приемом ответа в рамках выделенного временного окна, и в этой части так же не отличается от аналогичной процедуры в стандарте LTE. Второе существенное отличие RACH процедуры для стандарта 5G NR заключается в формате используемых преамбул и соответственно данных, получаемых мобильной станцией в PRACH Config.
Преамбулы при установлении соединения
В следующих таблицах (табл. 1 и 2) приведены имеющиеся на данный момент форматы преамбул LTE и форматы преамбул 5G NR.
Таблица 1.
Prea mble forma t Ф Tcp ms Tseq ms Guard Time SubFrame number Nzc Cell Radius
0 1250 Hz 7 0,103 0,800 0,097 1 839 ~14 km
1 1250 Hz 7 0,684 0,800 0,516 2 839 ~ 75 km
2 1250 Hz 7 0,203 1,600 0,197 2 839 ~ 28 km
3 1250 Hz 7 0,684 1,600 0,716 3 839 ~ 108 km
4 7500 Hz 2 0,015 0,133 139
В стандарте LTE было определено пять форматов преамбул. Каждый из форматов предназначался для использования в специфических условиях. Преамбула состоит из трех частей, представленных на рис. 1.
Циклический префикс
Защитный интервал
CP ZC.SFO GP
ZC-Последовательность
Рисунок 1
• Защитный циклический префикс.
• Тело преамбулы.
• Защитный интервал.
В зависимости от формата может использоваться различное значение префикса и защитного интервала, что в теории позволяет организовывать соты радиусом от 14 до 108 км.
Определено два значения длины преамбулы: 839 и 139 отсчетов. В формате 5G NR определено суммарно 13 форматов преамбул. Определены, так называемые Long Sequence и Short Sequence преамбулы, размером 839 и 139 соответственно. Преамбулы формата Long Sequence приведены в табл. 2.
Таблица 2.
Format Lra ¿fra Nu Ncp restricted set
0 839 1,25 kHz 24576 3168 A,B
1 839 1,25 kHz 2x24576 2x21024 A,B
2 839 1,25 kHz 4x24576 4688 A,B
3 839 5 kHz 4x6144 3168 A,B
Стандартом определяются четыре формата Long Sequence преамбулы, различающиеся между собой как шагом поднесущих, так и внутренней структурой. Если посмотреть на приведенные четыре формата, то видно - три из них используют поднесущие 1,25 kHz, что дает 12 поднесущих RA в рамках одной поднесущей 15 kHz основного фрейма, и формат 3 использует RA поднесущие 5
kHz, что дает суммарно три поднесущих в рамках одного фрейма c шагом поднесущих 15 kHz. Как отмечалось выше, в случае увеличения шага поднесущих до 30, 60, 120 и 240 kHz, соответственно уменьшается время передачи, и в случае с Random Access возрастает количество RA поднесущих.
Кроме шага поднесущих форматы преамбул отличаются длиной циклического префикса и длиной замыкающего защитного интервала. Также внутри себя каждый из четырех форматов предполагает однократную, двукратную или четырехкратную передачу тела преамбулы.
Таблица 3.
Format Lra ¿fra Nu Ncp
A1 139 15x20 kHz 2 x 2048k x 288k x 2-0
A2 139 15x20 kHz 4 x 2048k x 576kxx 2"0
A3 139 15x20 kHz 6 x 2048k x 864k x 2"0
B1 139 15x20 kHz 2 x 2048k x 216k x 2"0
B2 139 15x20 kHz 4 x 2048k x 360k x 2"0
B3 139 15x20 kHz 6 x 2048k x 504k x 2"0
B4 139 15x20 kHz 12 x 2048k x 2"0 936k x 2"0
C0 139 15x20 kHz 2048k x 2"0 1240k x 2"0
C1 139 15x20 kHz 4 x 2048k x 2"0 2048k x 2"0
В табл. 3 приведены форматы преамбул Short Sequence. Всего определено 9 форматов преамбул длиной в 139 отсчетов. Преамбулы разделены на три группы A, B и C с разделением на подгруппы. Отличия опять же заключаются в длине защитных префиксов и постфиксов.
Конфигурация канала PRACH
Кроме формата преамбулы на процедуру случайного доступа к сети большое влияние оказывает конфигурация канала PRACH, которая сообщается мобильным станциям в составе SIB2. Содержание полей приведено в табл. 4.
Наибольшее значение имеет поле PRACH Config Index. Поле содержит индекс конфигурации из предопределенных в стандарте. Полная конфигураций PRACH приведена в табл. 5.
Таблица 4.
PRACH Config
Root Sequence Index Индекс для генерации 64 ZC-последовательностей.
PRACH Config Index Индекс конфигурации канала PRACH.
High Speed Flag Флаг, определяющий возможность работы мобильных станций, движущихся с большой скоростью.
Zero Correlation Zone Config. Конфигурация зоны нулевой корреляции.
PRACH Freq Offset Позиция начала ресурс-блока, содержащего PRACH.
Таблица 5.
Индекс конфигурации Формат преамбулы Номер фрейма Номер сабфрейма Индекс конфигурации Формат преамбулы Номер фрейма Номер сабфрейма
0 0 четный 1 32 2 четный 1
1 0 четный 4 33 2 четный 4
2 0 четный 7 34 2 четный 7
3 0 любой 1 35 2 любой 1
4 0 любой 4 36 2 любой 4
5 0 любой 7 37 2 любой 7
6 0 любой 1,6 38 2 любой 1,6
7 0 любой 2,7 39 2 любой 2,7
8 0 любой 3,8 40 2 любой 3,8
9 0 любой 1,4,7 41 2 любой 1,4,7
10 0 любой 2,5,8 42 2 любой 2,5,8
11 0 любой 3,6,9 43 2 любой 3,6,9
12 0 любой 0,2,4,6,8 44 2 любой 0,2,4,6,8
13 0 любой 1,3,5,7,9 45 2 любой 1 3 5 7 9
14 0 любой 0,1,2,3,4, 5,6,7,8,9 46 N/A N/A N/A
15 0 четный 9 47 2 четный 9
16 1 четный 1 48 3 четный 1
17 1 четный 4 49 3 четный 4
18 1 четный 7 50 3 четный 7
19 1 любой 1 51 3 любой 1
20 1 любой 4 52 3 любой 4
21 1 любой 7 53 3 любой 7
22 1 любой 1,6 54 3 любой 1,6
23 1 любой 2,7 55 3 любой 2,7
24 1 любой 3,8 56 3 любой 3,8
25 1 любой 1,4,7 57 3 любой 1,4,7
26 1 любой 2,5,8 58 3 любой 2,5,8
27 1 любой 3,6,9 59 3 любой 3,6,9
28 1 любой 0,2,4,6,8 60 N/A N/A N/A
29 1 любой 1 3 5 7 9 61 N/A N/A N/A
30 N/A N/A N/A 62 N/A N/A N/A
31 1 четный 9 63 3 четный 9
Как видно из табл. 5, всего определено 16 конфигураций, которые в
50
дальнейшем размножены на все форматы преамбул, что дает суммарно 64 конфигурации канала PRACH. В технологии 5G NR всего предопределено 256 конфигураций канала PRACH для FR1 и столько же для FR2. Приводить полные таблицы конфигураций в статье видится нецелесообразным. В спецификации 3GPP это таблицы:
• 38.211 v15.3.0-Table 6.3.3.2-3 дляFRJ
• 38.211 v15.3.0-Table 6.3.3.2-4 дляFR2
Из отличий, введенных в 5G NR, следует отметить возможность попарного одновременного использования преамбул формата A1/B1 A2/B2 и A3/B3. Как видно из табл. 3, эти форматы отличаются величиной циклического префикса, что позволяет существенно расширить возможности мобильной станции при выполнении процедуры случайного доступа. Решение об использовании того или иного формата преамбулы должно приниматься на стороне мобильной станции в зависимости от ее положения относительно БС.
Конфигурация преамбул на БС
Кроме конфигурации физического канала PRACH на БС конфигурируется и логический канал ЯЛСИ. В его конфигурации, в частности, определяется распределение преамбул для случайного доступа и для целей хэндовера. Ниже выделены два параметра. numberOfRA-Preambles определяет общее количество возможных преамбул. PreamblesGroupA определяет количество преамбул для процедуры случайного доступа. Оставшиеся преамбулы принадлежат к так называемой GroupB и используются для целей хэндовера.
rach-ConfigCommon preamЫeЫfo
numberOfRA-Preambles: п52 (12) preamЫesGroupAConfig
sizeOfRA-PreamblesGroupA: П48 (11)
В стандарте 5G NR способ конфигурации преамбул остался прежним. Для конфигурации общего количества преамбул используется значение totalNumberOfRA-Preambles и количество преамбул для случайного доступа определяется параметром numberOfRA-PreamblesGroupA. Одной из проблем, стоящей перед сетями 5G, является проблема нехватки преамбул и коллизии при выполнении процедуры случайного доступа. Эта проблема существует уже в сетях но там она стоит менее остро, так как количество устройств,
подключенных к сети значительно меньше, чем предполагается в сетях 5G. Сети пятого поколения, с одной стороны, предполагают массовое подключение устройств интернета вещей, а, с другой стороны, привносится концепция слоистой структуры, когда сеть обеспечивает сквозной сервис для различных абонентов в зависимости от их потребностей, в частности сервис с ультрамалыми задержками URLLC. И, если в случае IoT устройств, проблема коллизии и повторной процедуры доступа приведет лишь к повышенному расходу батареи устройства, то в случае с сервисом URLLC коллизия недопустима, так как вызовет неизбежную задержку.
В настоящий момент не существует однозначного решения проблемы коллизий при выполнении RA процедуры. Существуют лишь подходы и методики, позволяющие уменьшить вероятность коллизии и получить успешную RA процедуру в рамках заданного вероятностного интервала. Попробуем
51
перечислить основные направления в которых ведется работа:
• Уменьшение площади обслуживаемого сектора. Введение радио диапазона FR2 >6GHz неизбежно ведет к увеличению количества секторов малого радиуса, что в свою очередь снижает вероятность коллизии.
• Предлагаются методики по увеличению длины преамбулы и соответственно уменьшению вероятности коллизии. Минусом данного решения является необходимость изменения стандарта.
• Применение технологии 5G NR NSA (Non-StandAlone) вариант подключения, когда пользователь подключается к сервисам 5 G только при необходимости получения большого количества данных. В этом случае 4G используется как якорная сеть, и подключение к 5 G осуществляется без выполнения RA процедуры, или RA процедура предполагает использование предопределенной, а не случайной преамбулы, что исключает коллизию.
• Еще одним решением проблемы коллизий является динамическое изменение количества преамбул. Данный подход предполагает выделение отдельных групп преамбул для подключения устройств с различными уровнями сервиса и динамическое изменение распределения преамбул между группами, в зависимости от текущей обстановки в секторе. Такой подход, с одной стороны, позволил бы обеспечить отсутствие коллизий для сервисов критичных к задержкам, а с другой, не требует больших изменений в стандарте и может обеспечить обратную совместимость с уже имеющимися устройствами.
• Также есть предложения по использованию других кодообразующих последовательностей вместо последовательностей ZC, что теоретически позволяет также уменьшить вероятность коллизий. Из минусов - это необходимость внесения фундаментальных изменений в стандарт 3GPP, что исключает использование на практике данного решения в ближайшее время.
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что стандарт 5 G NR вобрал в себя все достижения стандарта четвертого поколения и ведется активная работа по расширению конфигураций, позволяющих оптимизировать работу абонентских устройств и предоставить пользователям услуги нового уровня. Создание стандарта стало возможным благодаря, с одной стороны, анализу недостатков стандарта LTE и благодаря техническому прогрессу в области цифровой обработки сигнала, сделавшей возможным качественное улучшение обработки радио. В настоящее время на пороге развертывания сетей нового стандарта и выпуска новых спецификаций прежде всего стоит вопрос - какие из заявленных в стандарте конфигураций будут востребованы операторами и насколько производители оборудования будут готовы их поддержать.
Литература
1. A. Zanella et al., «M2M massive wireless access: Challenges, research issues, and ways forward» in Proc. IEEE GlobecomWorkshop, Dec. 2013.
2. 3GPP, «RACH overload solution» ZTE, Shenzhen, China Tech. Rep. R2-103742, Jul. 2010.
3. Study on RAN Improvements for Machine-Type Communications, document TR 37.868, 3rd Generation Partnership Project, Sep. 2012.
4. N.K. Pratas, S. Pattathil, Stefanovic, and P. Popovski, «Massive machine-type communication (mMTC) access with integrated authentication in Proc». IEEE Int. Conf. Commun. (iCC), May 2017.
5. S. Vural, N. Wang, P. Bucknell, G. Foster, R. Tafazolli and J. Muller, «Dynamic Preamble Subset Allocation for RAN Slicing in 5G Networks,» in IEEE Access, vol. 6, pp. 13015-13032, 2018.
6. TS 38.101; NR User Equipment (UE) radio transmission and reception.
7. TS 38.813; New frequency range for NR (3.3-4.2 GHz).
8. TS 38.814; New frequency range for NR (4.4-5 GHz).
9. TS 38.815; New frequency range for NR (24.25-29.5 GHz).
10. TS 38.211; Physical channels and modulation.
11. TS 38.202; Services provided by the physical layer.
12. TS 38.133; Requirements for support of radio resource management.
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
НА БАЗЕ Arduino Mega
В.В. Мошков, Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «ТИОС», setvit97@mail. ru;
Р.А. Андреев, Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «БИС», andreeffrom@mail. ru;
А.А. Прасолов, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, [email protected].
УДК 621.391.8_
Аннотация. В связи с ростом числа используемых устройств в сети, а также с постепенным вводом устройств интернета вещей, подключенных к сети мобильной связи, возрастает сложность обеспечения качественного покрытия территории мобильной сетью. Для мониторинга данных о покрытии, а также параметров радиосигнала используются аппаратно-программные комплексы для измерения параметров сетей мобильной связи. В рамках данной статьи рассмотрена схемотехническая составляющая разработки измерителя параметров мобильной связи на базе Arduino Mega. Описан алгоритм работы программы для измерений параметров мобильной сети, а также описана методика проведения измерений на разработанном программно-аппаратном комплексе, получившим название «ВИСТ».
Ключевые слова: мобильная связь; измерения; GSM; Arduino; IDE; радиомодуль.
DEVELOPMENT OF A SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX FOR MAKING MEASUREMENTS OF MOBILE COMMUNICATION NETWORK PARAMETERS ON THE BASIS Arduino Mega
V. Moshkov, research engineer of REC «TIOS» St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich;
