Продолжение. Часть 1 — здесь.

2. Сеть радиодоступа RAN и технология радиодоступа RAT

Сеть радиодоступа RAN (Radio Access Network) и технология радиодоступа RAT (Radio Access Technology) – понятия неравнозначные друг другу. Если в сетях предыдущих поколений в каждом сетевом развёртывании используется, в принципе, лишь какая-то одна технология сети радиодоступа RAN (GERAN, UTRAN, eUTRAN… ), то в одной сети доступа 5G таких технологий доступа может одновременно несколько, и, в зависимости от варианта развёртывания, логического слоя сети (Network Slice) и типа приложений, может использоваться та или иная (или несколько сразу) RAT.

1.1. Основные отличия RAT 5G от RAN предыдущих поколений

• Новые частотные диапазоны 5G NR (New Radio) и формирование луча (Beam Forming)

Новые частоты для 5G в новом миллиметровом диапазоне волн дали возможность использования антенных решеток Massive MIMO с сотнями антенных элементов на базовых станциях сети (eNodeB).

Рисунок 5. Частотные спектры 5G (источник: 1234g.ru)

Множество антенных элементов, компактно размещаемых в пределах относительно небольшой матричной антенны, даёт возможность формирования адаптивной диаграммы направленности излучения (Beamforming). От длины волны зависит размер излучающих элементов, поэтому, размер новых антенных элементов будет в десятки раз меньше, чем применяемые в антенных решетках для предыдущих поколений, за счёт повышения рабочей частоты до 6 ГГц и выше. Направленные лучи антенны позволяют минимизировать потери при передаче сигнала за счёт направления мощности сигнала на терминал пользователя 5G.

Рисунок 6. Принцип формирования луча (Beamforming) в матричной антенне (источник: metaswitch.com).

• Massive MIMO

Матричные антенны позволяют отслеживать лучом перемещение пользователя, а также переключать направление луча с одного устройства на другое.

Рисунок 7. Отслеживание устройства пользователя и переключение между устройствами в матричной антенне.

Матричные антенны, кроме того, позволяют задействовать режим Massive MIMO, когда для одного пользователя может быть выделено сразу несколько частотных каналов. В матричных антенных можно также использовать отражение луча от препятствий (домов, земной поверхности и пр.), что значительно повышает скорость доступа для устройства пользователя.

Рисунок 8. Режим Massive MIMO в матричной антенне.

• Малые соты (Small Cells)

Решение Small Cells позволяет использовать недорогие, простые в установке и обслуживании базовые станции небольшой мощности, фактически представляющие собой матричные антенны, работающие на высокой частоте 5G   NR (New Radio).  Радиус действия таких сот – относительно невысок (до 100-200 м). Множество таких простых и недорогих сот можно развешивать на мачтах уличного освещения, на стенах домов и других объектах, что компенсирует их относительно низкую величину площади обслуживания. Сеть 5G должна быть способна эффективно координировать их работу, перераспределяя нагрузку между антеннами. Это, в частности, эффективно может достигаться при помощи решений виртуализации граничной сети радиодоступа RAT.

Рисунок 9. Решение Small Cells (источник: Qualcomm).

• Радиотехнологии RAT для массового Интернета Вещей (Massive IoT, Internet of Things)

Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными средствами взаимодействия друг с другом или с внешней сетью, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека[1].

Основные преимущества IoT:

• Возможность реализации высокопроизводительных встроенных систем для автоматизации промышленности;
• Открытые промышленные стандарты, обеспечивающие возможность глобального управления производством;
• Стандартизация разработки программного обеспечения для управления устройствами IoT широкого профиля;
• Недорогие коммуникации общего применения;
• Стандартные системы для множества применений;
• Общие программные решения для разных отраслей экономики;
• Передача данных в режиме «реального времени»;
• ИТ-подход (устройство может быть перепрограммировано под разные задачи).

В IoT используются различные технологии RAT:

• «традиционные»: Wi-Fi, Bluetooth, сотовые сети …
• «инновационные»: BLE, Thread, LPWAN…

Рисунок 10. Наиболее распространённые RAT для IoT (источник: shalaginov.com).

К LPWA (Low Power Wide Area) относятся сети на основе следующих протоколов IoT и M2M:

• Sigfox
• Weightless / Neul
• NB-IoT/LTE Cat NB1
• LTE Cat 0, 1, 3
• LTE-M1/ LTE-MTC (Machine Type Communication)
• LoRaWAN
• EC-GSM-IOT (Extended Coverage GSM-IOT)
• RPMA

Чипы LPWA – недорогие, а срок службы устройства IoT с чипом LPWA составляет до 10 лет от одной батареи. Дальность действия может составлять до 2-5 км в городе и до 20 км в сельской местности. Скорость передачи данных варьируется в пределах от 0,3 до 50 кбит/с и выше.

Рисунок 11. Сравнение LPWA с технологиями мобильных сетей 3G/4G/5G (источник: https://www.i-on.net/news/newsletter/column/1230783_9958.html)

---

[1] https://shalaginov.com/2021/11/21/iot-conspect-1/

Продолжение — здесь (будет скоро).