Внедрение сетей 5G в частотных диапазонах ниже 6 ГГц | Взгляд Nokia (часть 2)

Выполняю обещание представить продолжение перевода документа, подготовленного в Nokia. Начало перевода (часть 1) - см. здесь. 

2.1 Покрытие и бимформинг

Диапазоны до 1 ГГц обеспечивают великолепное покрытие при использовании антенн типовой конфигурации, известных как 2х2 MIMO. Типовой дизайн систем FDD применительно к этим низкочастотным диапазона, позволяет создавать соты с радиусом в десятки километров. Большая длина волны, характерная для частот ниже 1 ГГц, однако, выступает ограничителем для использования такого функционала 5G, как множественное MIMO (mMIMO). Объяснение этому простое - типовое абонентское устройство недостаточно велико, чтобы поместить в него более двух антенн для диапазонов ниже 1 ГГц. Да и по части антенн для базовой станции, их вес, размеры, способность противостоять ветровой нагрузке, даже внешний вид, - все это ограничивает число антенн на площадках базовых станций. Таким образом, в диапазоне до 1 ГГц обеспечить обширное покрытие сетей 5G не так уж просто. 

Покрытие сети на частотах порядка 3.5 ГГц может быть заметно улучшено за счет использования антенн с поддержкой бимформинга (технологии формирования антенной узконаправленных “лучей”), а также за счет реализации аплинка на более низких частотах. На рис.3 показано сравнительное покрытие систем, реализованных в различных частотных диапазонах в сравнении с аплинком системы 2100 МГц (типовые частоты сети 3G). Вычисления основаны на использовании модели распространения сигналов Окамура-Хата, в предположении, что канал в направлении абонентского устройства на 8 dB мощнее, нежели канал в направлении базовой станции, а также с учетом перехода к mMIMO, что также дает выигрыш на 8 dB в сравнении с использованием обычного 2х2 MIMO. Расчет показывает, что качество канала вниз в сети 5G на частоте 3500 МГц при использовании mMIMO может быть лучше, чем качество канала от базовой станции к абонентскому устройству в сети LTE2600 2x2 MIMO. 

Рис.3. Разница в качестве покрытия вне помещений сетью LTE в различных частотных диапазонах и сетью 5G (3500 МГц, mMIMO). 

Качество покрытия сети в условиях города ограничивает прежде всего то, что максимальная выходная мощность абонентских устройств, по регламентам безопасности, не должна превышать 0.2 Вт.  Это намного меньше, чем разрешенная мощность базовых станций, которая может достигать или превосходить 100 Вт. Из-за этого покрытие сети 5G 3.5 ГГц должно получаться меньшим, чем у сети LTE 2100 или LTE 1800 МГц. 

Одно из решений - внедрить поддержку сети 5G в низких частотных диапазонах, а затем агрегировать эту сеть с сетью 5G в диапазоне 3.5 ГГц. Другой вариант - это расшарить частоты аплинка между сетями 5G и LTE, например, взяв для этого частоты 1800 МГц или 800 МГц. 

Рис. 4 иллюстрирует этот вариант конфигурации сети. Загрузка полосы в аплинке как правило меньше в силу асимметрии трафика в направлениях к- и от- базовой станции, типовым соотношением является 1:10, что отражает превалирование трафика просмотра видео над другими видами трафика. Соответственно, это позволяет переиспользовать часть частот LTE в системах 5G. 

Конечно, разделение аплинка системами LTE и 5G может затруднять практические внедрения систем 5G. Требуется, в частности, использование антенн, направленных в одну сторону в системах LTE и 5G, могут потребоваться и изменения в используемом LTE оборудовании. Использование выделенного низкочастотного диапазона для 5G может дать более гибкое решение. 

Рис.4. Аплинк 5G в низкочастотном диапазоне разделенном с LTE.

2.2 Пропускная способность систем в диапазонах до 6 ГГц

Более высокая пропускная способность сети может быть обеспечена за счет использования большего частотного ресурса и большего числа антенн. В зависимости от комбинации этих двух ресурсов, можно существенно нарастить пропускную способность сети. На рис. 5 показана упрощенная модель формирования пропускной способности сети для 5G 3.5 ГГц в сравнении с существующей сетью LTE. Расчеты выполнены в предположении, что сеть 5G располагает полосой в 100 МГц, тогда как сеть LTE задействует полосу в 20 МГц. mMIMO может обеспечить рост эффективности использования частот с коэффициентом 2-4. Переход к использованию диапазона 3.5 ГГц - это наиболее эффективный способ наращивания емкости существующих сот вплоть до 10-20 раз. 

Рис. 5. Емкость 5G в сравнении с 4G на соту

Емкость систем до 1 ГГц ограничена сравнительно узкими доступными полосами частот, в типовом случае 2 х 10 МГц FDD, а также ограниченными возможностями использования антенных технологий 5G. Однако, это не влияет на функционирование большинства новых услуг 5G, для которых достаточно умеренных скоростей передачи данных, но для внедрения которых очень хорошо подходят “дальнобойные” возможности данного диапазона в плане обеспечения сплошного покрытия.

При внедрении сетей, особенно сайтов с высокой пропускной способностью, придется принимать во внимание пределы напряженности электромагнитного поля в терминах максимально допустимого EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power - Эквивалентная изотропно излучаемая мощность). Эти пределы в разных странах установлены на разных уровнях, что потребует определенной гибкости при внедрении универсальных решений в разных странах. В решениях Nokia, в частности, предусмотрено динамическое распределение мощности между различными радиомодулями, работающими в разных частотных диапазонах, что минимизирует среднюю излучаемую мощность, а также позволяет беспроблемно интегрировать малые соты в сеть, построенную на основе макросот. 

Низкочастотные диапазоны становятся еще более важными в ситуациях, когда в стране запрещено использование высоких уровней мощности для наращивания покрытия.

+ 

Перевод третьей (последней) части.  

+ +