Rádiové komunikační systémy páté generace (5G) Vzdělávací kurz katedry radioelektroniky FEL ČVUT v Praze, r. 2015 V současnosti probíhá ve světě bouřlivý vývoj systémů pozemní mobilní komunikace páté generace (5G), které představují v daném oboru revoluční krok vpřed. S ohledem na tuto skutečnost katedra radioelektroniky Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze v letošním roce pořádá dvoudenní kurzy zaměřené na systémy 5G, tak aby se mohla odborná veřejnost na tento významný fenomén příštích let náležitě připravit, a to nejen po stránce technologické, ale i aplikační. Demo verze souboru příspěvků Tato DEMO verze podává pouze stručnou informací o obsahové náplni kurzu „5G“ katedry radioelektroniky FEL ČVUT v Praze; není tedy určena k podrobnému studiu této velmi významné inovace v oblasti veřejné pozemní mobilní rádiové komunikace
Transcript
Rádiové komunikační systémy páté generace (5G)
Vzdělávací kurz katedry radioelektroniky
FEL ČVUT v Praze, r. 2015
V současnosti probíhá ve světě bouřlivý vývoj systémů
pozemní mobilní komunikace páté generace (5G), které
představují v daném oboru revoluční krok vpřed. S ohledem
na tuto skutečnost katedra radioelektroniky Elektrotechnické
fakulty ČVUT v Praze v letošním roce pořádá dvoudenní
kurzy zaměřené na systémy 5G, tak aby se mohla odborná
veřejnost na tento významný fenomén příštích let náležitě
připravit, a to nejen po stránce technologické, ale i aplikační.
Demo verze souboru příspěvků
Tato DEMO verze podává pouze stručnou informací o obsahové náplni kurzu „5G“ katedry radioelektroniky FEL ČVUT v Praze;
není tedy určena k podrobnému studiu této velmi významné inovace v oblasti veřejné pozemní mobilní rádiové komunikace
Kurz katedry radioelektroniky FEL ČVUT
19. – 20. listopad r. 2015 Štěstí přeje připraveným!jiný dohodnutý termín
Katedra radioelektroniky Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze
V minulých měsících uspořádala Katedra radioelektroniky Fakulty
Elektrotechnické ČVUT v Praze několik běhů dvoudenního kurzu
Rádiové komunikační systémy páté generace (5G)
Systémy 5G představují ve vývoji mobilní komunikace revoluční vývojový stupeň, který přinese uživatelům výrazné zdokonalení dosavadních
personálních služeb a rozšíření jejich sortimentu a navíc zavede služby zcela nové, z oblasti internetu věcí IoT, cloudových technologií apod.
Těchto atributů bude dosaženo díky zcela novým síťovým strukturám, progresívním technologiím, podstatným změnám v kmitočtovém plánování
a dalším technickým novinkám. O uvedenou problematiku projevuje stále zájem velký počet odborníků, ,proto pořádající organizace uskuteční
v budově Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze - Dejvicích opakování celé akce, a to v termínech:
Opakované běhy kurzu mají následující osnovu:
• mezinárodní projekty 5G: Forum 5G, 5GPPP; EU projekty METIS, 5GNOW..; ostatní projekty: USA, Čína, Japonsko a Jižní Korea
• architektura 5G: heterogenní sítě HetNet, sítě Cloud RAN a multi-RAT; sítě extrémně husté (UDN), s vlastní organizací a opravou (SON/SHN)
• cloud computing (CC) a mobilní cloud computing (MCC); využití CC/MCC v technologii a managementu systému 5G
• softwarově definované sítě (SDN) a virtualizace síťových funkcí (NFV); rádiový přístup RAN jako služba (RANaaS: RAN as a Service)
• techniky více antén v 5G: prostorová diverzita (SD), multiplex (SM), formování svazků (BF), SU/MU-MIMO, satelitní MIMO; LOS-MIMO
• technologie milimetrových vln (mmW) v 5G: útlum mmW a formování svazků BF; aplikace mmW v backhaul a ve fronthaul sítích
• kooperativní techniky v systémech 5G: fixní a mobilní relaying, distribuované antény DAS a koordinace Tx/Rx (CoMP: Coordinated Multipoint)
• radiokomunikace M2M (MTC) a její varianty (V2V, V2I...); Internet věcí /IoT); radiokomunikace v přímém módu D2D
• softwarově definované radio SDR a kognitivní radio CR v systémech 5G; současná optimalizace účinností SE a EE v systému 5G
• plný duplex IBFD (in-band full duplex); technika IBFD ve vrstvě PHY (technika SIC) a vrstvě MAC; aplikace IBFD v systémech D2D a CR
•„zelené“ přenosové technologie (GTT) a „zelený“ management v sítích 5G; optimalizace energetické a spektrální účinnosti
• aplikace systémů 5G: Internet věcí IoT a tactile Internet, multimédia MBMS, aplikace v průmyslu, v dopravě, v medicíně, ve vzdělávání...
Kurzy v těchto opakovaných termínech budou zaměřeny hlavně na moderní síťové koncepce, technologie a aplikace 5G. V porovnání s
předchozími běhy však v nich bude zdůrazněna problematika mobilního cloud computingu, virtualizace a softwarových technik v sítí 5G, zvýšená
pozornost bude věnována technologii milimetrových vln v pozemním i družicovém sektoru systému 5G. Podrobněji se budou probírat také
perspektivní aplikace systému 5G v oblasti ekologie, dopravy, zdravotní péče, e-learningu ap., které využívají strojovou komunikaci M2M/MTC,
Internet věcí (IoT) a pohotový (taktile) Internet.
Podrobnější informace o kurzu jsou uvedeny na adrese: http://mmtg.fel.cvut.cz/pgs-radiokomunikace/
Hlavní rysy rádiových komunikačních systémů 5G ve srovnání se systémy 4G
Charakteristické provozní vlastnosti:● Výrazné zlepšení dosavadních služeb: přenosu hlasu, videa a dat (DLmax ≈ 10 Gbit/s)
● Nová pervasivní 3D multimédia, televize HDTV/UHDV, řeč VoIP, služby e-Health,
● Nové služby s extrémně nízkou latencí (UP…≤ 1 ms) : Internet věcí IoT a Tactile Internet
● Nové služby s extrémní spolehlivostí: bezpečnost dopravy, rychlé zdravotní služby…
● Podstatně prodloužená životnost napájecích akumulátorů (u terminálů M2M až 10 roků)
● Nižší pořizovací cena i nižší provozní náklady fixní infrastruktury i mobilních terminálů
● Vyšší buňková kapacita pro mnoho simultánních uživatelů, a to v licencovaných i v ne-
licencovaných úsecích spektra (vyplývající z konvergence buňkových systémů a WiFi)
Nové technologie
● Přechod k heterogenním buňkovým sítím, s podporou mobile cloud computingu
● Nové body TP: mikro …femto buňky, RRH, antény DAS, relé FRN/MRN, term. M2M/D2D…
● Virtualizace sítí: „všechno jako služba EaaS (Everything as a Service)“
● Nástup nových typů modulací a technik rádiového přístupu (beyond OFDM)
● Osvojení pásma milimetrových vln (3 až 100...300 GHz)
● Anténní systémy „masívní MIMO“ s velkým počtem antén na BS, umožňujících BF k UT
● Další zdokonalení kooperativních technik: kooperativní reléování, CoMP…
● Technika plného duplexu FDX (s potlačením vlastních interferencí SIC)
špičková datová rychlost na trase DL: 1 Gbit/s (4G) 10 Gbit/s (5G)
latence přenosu v uživatelské rovině: 10 ms (4G) 1,0 ms (5G)
speciální aplikace M2M (aku nebo auto napájení) (≈ 10 roků)
Vývoj buVývoj buňňkových koncepckových koncepcíí od homogennod homogenníích k heterogennch k heterogenníímm
okolní buňky
dedikovaný duplexní spoj (rádiový, metalický) o délce řádu km i více
veřejná telefonní síť
PSTN
jádro mob. sítě CN: mobilní ústředna, výstupní brána...
mobilní backhaul
jádro sítě
externí sítě
Původní homogenní buňková síť síť obsahuje jen zhruba stejné velké buňky
RFU: Radio Frequency UnitBBU: Base Band UnitMS: Mobile StationRRH: Remote Radio HeadBBU: Base Band UnitCO: Central Office (pool)CN: Core NetworkDROF: Digital Radio over FiberCPRI: Com. Publ. Radio Interface
jiné mobilní sítě
okolní buňky s odlišnými kanály
rádiová přístupová síť RAN
RFU
RFU
RFU
BBU
MS
koax.až 30 m
BBU
BBU
BBU
mobile fronthaul
central office (CO) virtual BBU „pool“centr. kabinet BBU
CO CO
CO
DROF resp. CPRI mobile backhaul
RRH
RRH
RRH
RRHRRH
RRH
jádro sítě
CN
X2
X2S1
deštníková makrobuňka
optické spoje resp. rádiové spoje
komunikace D2D/M2M
fixní reléový uzel FRN
Massive MIMO
mobil. reléový uzel MRN CO
DSP, GPP...
cloudové datové centrum CDC
Internet
Pokročilá heterogenní buňková síť C-RANobsahující i malé buňky, reléové uzly, distr. antény DAS atd.
jednotky základního pásma BBU jsou koncentrovány do boxu BBU, jež využívá techniku cloud computingu
Nedávný stav penetrace sítí 2G/3G/4G a výhled systému 5G do r. 2020
Africa1%
Latin America1.5%
Middle East 1%
Eastern Europe 1,5%
Ovum WCIS June 2014
v polovině r. 2014 je globální penetrace systémů 4G (LTE, CDMA, TD
CDMA) a systému 3G (HSPA) hluboko pod původními předpoklady z
r. 2010; naproti tomu systém 2G - GSM je stále intenzívně využíván
celkový počet terminálů LTE-4G je v polovině r. 2014 relativně na uspo-
kojivé úrovni v USA a Kanadě, ve východní Asii a Pacifiku a v západní
Evropě; jinde rozvoj sítě LTE - včetně východní Evropy, silně zaostává
Prostředí rozsah
městské makrobuňky 3,7 …6,5
městské mikrobuňky 2,7 …3,5
úřady (stejné patro) 1,6 …3,5
úřady (různá patra) 2,0 …6,0
obchodní domy 1,8 …2,2
průmyslové podniky 1,6 …3,3
byty 2,5 …3,5
otevřená krajina s LOS 2,0 …2,5
Různé typy ztrát v pozemském rádiovém kanálu
• ztráty šířením PL jsou základní složkou ve volném prostoru ( = 2), i v pozem. kanálech ( = 2...7)
• ztráty zastíněním vznikají vlivem překážek mezi Ty a Rx (zemský povrch, terénní vlny, domy...);
tyto dva efekty spolu vytvářejí ztráty trasy ve velkém měřítku (large scale path loss)
• ztráty v malém měřítku resp. mnohocestný únik (small scale fading resp. multipath fading)
vznikají vlivem mnohocestného šíření vln; při vzájemném pohybu vysílače a přijímače resp. objektů
zúčastněných na šíření, se uplatňují navíc ještě fluktuace frekvence přijímaného signálu vlivem
Dopplerova efektu, který vyvolává změny frekvence i časové změny amplitudy přijímaného signálu.
ztráty šířením ve volném prostředí (Friisův vzorec)
ztráty šířením, zastínění a mnohocestné šíření
(path loss & shadowing & multipath]
ztráty šířením a zastínění (path loss & shadowing)
samotné ztráty šířením (path loss)
Friisův vzorec při ziscích antén Gt a Gr:
Friisův vzorec při ziscích antén Gt=Gr= 1:
typické hodnoty exponentu
ztrát šířením ( = 2 ...8)
2
2
=
=
dP
P
dGGPP
4
4
t
r
rttr
~/2Pr/P
t [d
B]
log d (vzdálenost Tx - Rx)
ztráty šířením & zastíněnímpath loss & shadowing
ztráty šířením PL(path loss)
ztráty mnohocestným šířením (multipath loss)
volné prostředí: = 2
pozemní kanál = 2...7
Šíření rádiových vln v pozemských kanálech s úniky
T. Rappaport: „Millimetre wave are very appropriate for next generation 5G“
• V ideálním kanálu šíření LOS (kanálu mezi anténami) útlum milimetrových vln
roste s kvadrátem frekvence f, což je pro aplikace v mobilní komunikaci nevýhodné
• Tento nárust lze ale kompenzovat užitím antén s velkou směrovostí a tedy i ziskem
• V milimetrové oblasti lze antény s velkým ziskem/směrovostí - ať již v diskrétní
formě, nebo ve formě anténních polí - snadno realizovat, neboť při neměnných roz-
měrech se u většiny typů antén (parabolických ap) s růstem frekvence zisk zvětšuje
• V reálném pozemském kanálu vlivem ztrát šířením (path loss) a zastínění útlum
roste s mocninou vzdálenosti d , přičemž = 2 ... 6, typická hodnota ≈ 3;
přitom koeficient ztrát šířením je na frekvenci jen málo závislý.
• Trasy NLOS vykazují silný odraz a rozptyl, ohyb je slabý; zastínění pevnými
překážkami (cihlové zdi,...) je velké, problém řeší užití více antén v jediné stanici UT
• Pokrytí uvnitř budov (indoor) je nutné zajistit pomoci mikrobuněk, distribuovaných
antén DAS, reléových spojů (uzly RN) ap. Přesto zde nelze odstranit výpadky spojení
• Milimetrové vlny neumožňují spolehlivé, robustní celoplošné pokrytí velkých lokalit;
kompletní systém 5G proto musí být heterogenní, tj. musí obsahovat jednak velké
zastřešující makrobuňky - využívající konvenční pásma (< 5 GHz), jednak malé
mikro/piko/femto buňky, které budou využívat nová milimetrová pásma
• Makrobuňky budou zajišťovat celoplošné pokrytí, se spolehlivým předáváním (HO) -
i když s nižší dosažitelnou síťovou propustností a uživatelskou rychlostí
• Mikrobuňky potom zajišťují vysokou lokální propustnost i uživatelskou rychlost
Využití milimetrových rádiových vln v systému 5G
RAU + BBU
RAU
MT
SU-MIMO: Single User - MIMO
MU-MIMO: Multi User - MIMO
Rx
010
Rx
010
101 101
010 010
101
101
101
010
Rx 1
010
Rx
010
101 101
010 010
101
101
101
010
Rx 2
2005
1998)M;(MminC RTMIMO
DAS: Distributed Antenna System
více
UT UT UT
UT
BS
masívní MIMO, Very Large MIMO
2010
1989
1980
UE1
BF: Beam Forming
neřízené anténní pole
destruktivní interference„nula“ přenosu
UE 2
900
900
d11
d21
d12
d2290
0
900
T1
T2
R1
R2+
+
D
r
LOS MIMO: Line of Sight MIMO
2005
)M;(MminC RTMIMO n
n: počet UT
Přehled pokročilých systémů s více anténami KlasickKlasickáá a kooperativna kooperativníí radiorelradiorelééovováá technika v mobilntechnika v mobilníích sch sííttííchch
IEEE Trans. Info. Theory, no. 5, Sept. 1979 Reléové uzly RN Zvětšují hustotu infra-struktury celého systému, což vede ke zkracování průměrných vzdálenostípřijímač-vysílač To se pak projeví ve zvýšené spolehlivosti spojení, ve značném zvětšení kapacity sítě a takév poklesu energetické spotřeby v UT
Dva partnerské uživatelské terminály UT1 a UT2 vysílají svá data přímo ke společné základnové stanici BS. Každý z nich je však schopen také přijímat signály druhého terminálu a ty téžpředávat ke stanici BS. Jsou-li oba terminály dostatečně od sebe vzdálené, potom oba kanály vytvářené určitým terminálem, tedy kanál přímý i předávaný, jsou statisticky nezávislé. Takto vytvořená „umělá“ vysílacídiverzita zdokonaluje pokrytí, spolehlivost přenosu, imunitu vůči
únikům a zvyšuje kapacitu.
Klasická a kooperativní reléová technika v síti 5G
Věrný plný duplex na bázi techniky SICSelf Interference Cancellations
Systém, umožňující věrný plně
duplexní provoz v jediném pásmu
(true in-band full duplex) a souběžně
v čase, je založený na technice
potlačení vlastních interferencí SIC
(Self Interference Cancelation).
Vlastní vysílaný signál vchází přes
anténní výhybku (duplexer) do
antény a je řádně vysílán. Avšak
vlivem nedostatečné izolace této
výhybky směřuje i na vstup přijímače,
v němž by způsoboval neúnosné
rušení. Proto je zde kompenzačním
obvodem, ještě v analogové vysílané
podobě, předběžně potlačován.
Zbývající potřebné potlačení je
realizováno po demodulaci již
v digitálním traktu přijímače. Hong S.: Applic. of Self-Interference Cancellation in
5G and Beyond. IEEE Com. Mag. Febr. 2014, s. 114
analogová kompenzace vys. signálu v RF pásmu
silný vysílaný RF signál
slabý přijímaný RF signál
totožnápásma
rušení
rádiová stanice
(transceiver)
vysílač DAC
přijímač ADC
digitální kom- penzace v BB
přijímaná datavysílaná
data
Oproti duplexům FDD, TDD a CDD
popisovaný systém na bázi techniky
SIC vystačí s polovičním pásmem
Mobilní stanice pro systém 5G s technologií M RAT(Multi Radio Access Technology)
nové přístupové sítě 5G
3 GHz 10 GHz 30 GHz 100 GHz
nová síť 5G: UFMC..
mmW síť 5G
sítě se současnou
technologií RAT
fixní přístup
metal./optický
společné funkcionality jádra sítě 5G
flexibilní rozvinutí síťových funkcí
optimalizace služeb
využití virtualizace síťových funkcí NFV
využití softwarově defin. sítí SDN
Společný managementa transport
Rádiová přístupová síť RAN 5G bude směsicí síťových vrstev různých dimenzí, různých
vysílacích výkonů, technik spojů ve fixní infrastruktuře, rozličných technologií rádio- vého
přístupu RAT atd. Základní přístup do systému bude zajišťovat nová rádiová přístupová síť
RAN, alespoň částečně slučitelná se sítí LTE/LTE-A. Přístup by však měl být umožněn i
starším technikám RAT (legacy RAT), zahrnujícím buňkové standardy GSM (2G),
UMTS/HSPA (3G), lokální rádiové sítě WiFi, metropolitní sítě WiMAX atd. Nezbytný ovšem
bude i přístup do tradičních fixních sítí.
Jádro sítě 5G bude podporovat optimalizaci dosavadních služeb, jako je distribuce
televizních programů a dalších audio/video kontentů (MBMS) a rychlých dat. Dále musí
umožnit flexibilní rozvinování nových síťových funkcí, k nimž patří například pokročilá
strojová komunikace MMC a přímá komunikace D2D, komunikace s vysokým stupněm
zabezpečení, aplikace jenž vyžadují extrémně nízkou latenci přenosu apod. Jádro sítě 5G
také musí efektivně zužitkovat probíhající evoluci v softwarově definovaných sítích SDN.
Systém 5G: rádiová přístupová síť RAN a jádro CN
V období let 2007 až 2020 se zvětší datový provoz mobilních sítí o cca 3 řády tj. 1000 krát, a to z 0,8 MilT bytů v roce 2007 na cca 500 MilTbytů v roce 2020.
Přitom počet laptopů resp. netbooků naroste z 23 Mil na cca 500 Mil., avšak počet základnových stanic se jen ztrojnásobí; kapacita těchto zařízení však enormně vzroste
Spotřeba elektrické energie díky razantnímu prosazování „zelených technologií“zůstane téměř nezměněna. Nejvýraznější úspory se objeví u přístupových sítí RAN
Copyright: G. Fettweisset et all, TU Dresden
Globální produkce emisí CO2 v letech 2007 až 2020
Mobile Cloud Computing MCC
VIRTUALIZATION-Advantages
Dva kandidátské formáty modulací pro systém 5GTyto nové typy modulací zajistí mnohem vyšší potlačení rušivých postranních pásem,
než má OFDM. Tím se zcela vyřeší problém rušení mezi systémy LTE a DVB-T, jež
vzniká při obsazení volných TV pásem (white space) systémy mobilní komunikace LTE
GFDM: Generalized Frequency Division MUltiplexing
UFMC: Universal Filtered Multi-Carrier
Naši učitelé a příznivci radiotechnikyAkademik Dr. Ing. J. Stránský, DrSc. (13. 2. 1900-25. 12. 1983)Josef Stránský se narodil r. 1900 v Čakovicích u Prahy. V r. 1923 ukončil svá studia na
ČVUT a získal tím titul inženýra (Ing). V letech 1923 až 1925 pokračoval ve studiu v
Paříži na Ecole Superieure dÉlectricite kde, získal další titul Ingenieur
radiotelegraphiste. V období let 1926 až 1936 byl stavbyvedoucím vysílačů
francouzské firmy Standard Electronic Corp. Paris. V rámci tohoto zaměstnání mj. vedl
výstavbu nového středovlnného vysílače Praha 1 v Českém Brodě (dokončeno v
r.1930, výkon 120 kW). Od roku 1937 se jeho působení postupně přesouvalo na
akademickou půdu. V roce 1937 založil na ČVUT Ústav radiotechniky, v roce 1950 stál
u zrodu nové, samostatné Elektrotechnické fakulty ČVUT a podobně v roce 1953 s
jeho významnou pomocí vznikla Fakulta Slaboproudé techniky v Poděbradech. Kromě
své pedagogické činnosti, ve které pokračoval až o svého vysokého věku, působil v
řadě domácích institucí z oblasti slaboproudé elektrotechniky; byl např. zástupcem
vědeckého kolegia ČSAV v UNESCO, napomáhal vzniku Ústavu radiotechniky a
elektroniky ČSAV atd. Významná je i jeho publikační činnost, z níž je nutné
připomenout jeho vynikající knižní publikace "Základy radiotechniky" z r. 1941 a
"Vysokofrekvenční elektrotechnika" z r. 1956. Profesor Stránský však byl nejen
špičkovým odborníkem, ale i vzorem ušlechtilého, důstojného a skromného člověka.
Prof. RNDr.J. Forejt, DrSc. († 1991)byl v roce 1953 jedním z hlavních zakladatelů
Fakulty slaboproudé elektrotechniky (FSE) v
Poděbradech a od tohoto data až do r. 1960
také jejím děkanem. Na poděbradské fakultě
byl rovněž vedoucím Katedry elektroniky. Po
přechodu fakulty do Prahy v r. 1964 se započal
věnovat předmětu Lékařská elektronika.
Svými zásluhami o založení Fakulty slaboprou
dé elektrotechniky v Poděbradech a také o její
počáteční velice úspěšný rozvoj, profesor J.
Forejt, DrSc výrazně přispěl k odborné výchově
domácích odborníků v celé oblasti slaboproudé
techniky i v počátcích naší lékařské elektroniky
Ing. Milan Český, CSc († 1981)vystudoval Vojenskou akadémii v Hranicích, za 2 sv. války byl činný v odboji, uvězněn, těsně po válce byl opět internován. Pak pracoval v domácím slaboproudém průmyslu a výzkumu. Zde se věnoval problematice tv antén a také otázkám nastupující
