Доклад под названием "Статус развертывания сетей 5-го поколения. Стратегические задачи для подготовки к развертыванию сетей 6-го поколения" г-жа Гульнара Хасьянова, исполнительный директор Союза операторов мобильной связи LTE, представила в рамках встречи "Спектр Форум". Вашему вниманию - конспект выступления.
1. СТАТУС РАЗВЕРТЫВАНИЯ СЕТЕЙ 5-ГО ПОКОЛЕНИЯ
1.1. Несмотря на то, что в семейство радиоинтерфейсов сетей 5G входит и эволюция сетей LTE, чаще всего при обсуждении статуса внедрения сетей 5G речь идет о внедрении технологии NR (новое радио). На первом этапе 3GPP стандартизовало для NR все наиболее востребованные полосы радиочастот LTE, а также ряд новых полос в диапазоне 3-6 ГГц и выше 24 ГГц. На слайде показан текущий статус стран с точки зрения запуска сетей NR в той или иной полосе.
На слайде также показана статистика по сетям NR в части используемых полос радиочастот на основе данных GSA. Показаны данные в части уже запущенных сетей и в части лицензированных полос радиочастот, которые не были еще реализованы в виде реальных сетей.
1.2. Большое число диапазонов объясняется потребностью развивать сети 5G на различных частотах, а также различиями в поддержке полос в различных регионах мира. Однако, если проанализировать статистику стран более детально, то можно выделить ключевые полосы и тенденции. Так диапазоны ниже 2 ГГц в первую очередь нужны в качестве якорных диапазонов покрытия, в том числе для компенсации дальности работы UL в диапазонах выше 3 ГГц.
Относительно новой полосой ниже 2 ГГц является полоса 700 МГц.
Основным рабочим диапазоном является 3400-3800 МГц, в котором внедрение 5G набирает максимальные обороты, в том числе за счет миграции ранее развернутых сетей LTE TDD в целом ряде стран. Конкуренцию ему составляет диапазон LTE TDD 2496-2690 МГц, который планируется для активного внедрения NR в двух крупнейших экономиках мира США и Китай. С этим связаны и планы других стран внедрять NR в полосе 2570-2620 МГц.
Менее востребованные в ближайшие годы, но активно обсуждаемые в преддверии ВКР-19, полосы выше 24 ГГц рассматриваются как будущее дополнение сетей ниже 6 ГГц.
1.3. В докладе хотелось бы более детально остановиться на наиболее востребованных новых полосах радиочастот.
Начать следует с диапазона 700 МГц. Стоит констатировать, что полосы востребованы в первую очередь потому, что они являются новыми для стран СНГ, но в уже в меньшей степени для всего другого мира, что и обеспечивает возможность быстрого внедрения. Так называемый азиатский частотный план, рассматриваемый для внедрения в России, уже активно внедрен странами Латинской Америки, его внедрении входит в активную фазу в Европе и странах Азии. Африка отстает лишь по экономическим причинам, но уже полностью готова к его внедрению.
1.4. Аналогичная ситуация сложилась и с диапазоном 3400-3800 МГц. Часть диапазона была идентифицирован для систем IMT еще на ВКР-07. Еще до перехода к NR целый ряд стран уже внедрили сети LTE TDD, а сейчас к ним добавилась волна новых стран, готовых сразу внедрять сети новой технологии. Даже тропического пояса, для которых эта полоса рассматривалась в качестве ключевой для спутниковой связи одна за одной делают выбор в стороны сетей сотовой связи. И конечно же встает вопрос о доступности частотного ресурса в 3400-3800 МГц и 694-790 МГц и в России, что и хотелось бы обсудить далее.
7. ВОЗМОЖНОСТИ ОСВОЕНИЯ НОВЫХ И ДЕЙСТВУЮЩИХ ПОЛОС В РОССИИ
1.5. Самый доступный новый диапазон радиочастот - 694-790 МГц. Возможность относительно быстрого и простого высвобождения показали предварительные исследования, проведенные операторами для дальнейшего обсуждения задач высвобождения с регулятором и вещателями.
Исследования показали, что после отключения аналогового вещания возможно изыскать дополнительные каналы ниже 694 МГц для перепланирования 1-ого, 2-ого мультиплексов SD, а также 3-ого экспериментального мультиплекса. Более того, возможно изыскать каналы и для двух новых дополнительных мультиплексов для внедрения ТВ вещания высокой плотности в городах 50 тысяч плюс также ниже 694 МГц, что позволит выполнить Указ Президента 561 о предоставлении частотного ресурса для такого ТВ вещания.
При этом все работы по поиску частотных присвоений и перестройки оборудования действующих мультиплексов можно уложить в 1-2 года при себестоимости работ порядка 1.5 млрд. рублей.
1.6. Результаты проведенных изысканий были положены в основу Дорожной карты высвобождения полосы радиочастот 694-790 МГц, разработанной в рамках соответствующего мероприятия федерального проекта «Информационная инфраструктура» национального проекта «Цифровая экономика». В Дорожной карте детально расписаны необходимые шаги и контрольные мероприятия технического и регуляторного характера, выполнение которых позволит в максимально сжатые сроки добиться внедрения сетей современных технологий.
При этом полоса 694-790 МГц рассматривается как ключевая для обеспечения покрытия современными сетями и предоставления сервисов Цифровой экономики всему населению РФ.
В настоящее время проект Дорожной карты рассматривается в РГ ИИ, где планируется привлечь к обсуждению вещателей с целью синхронизации разрабатываемой концепции развития ТВ вещания с предложениями Дорожной карты.
1.7. Более сложным, но не менее необходимым в России, является диапазон 3400-3800 МГц. Признавая всю важность и незаменимость диапазона 3400-3800 МГц для обороноспособности страны, операторы сотовой связи видят возможность нахождения компромисса по использованию отдельных полос радиочастот в крупнейших городах. Именно в этих городах потребность в расширении спектра является максимальной и только диапазон 3400-3800 МГц обеспечивает необходимую экосистему оборудования в среднесрочной перспективе.
Возможность совместного использования видится за счет вывода всех второстепенных ЗС за пределы городов-миллионников и за пределы буферных зон вокруг основных территорий городов. Такой вывод может быть реализован и за счет перевода в другие спутниковые диапазоны и за счет использования проводных каналов, которые в избытке присутствуют в городах-миллионниках и их пригородах. Сохраняемые ЗС, например такие как командно-
измерительные станции, предполагается защищать фильтрами, дополнительным экранированием и конечно же остаточными частотно-территориальными разносами. Наконец возимые ЗС предполагается защищать с использованием системы динамических запретов на работу БС.
Несмотря на все сложности, вполне достижимым видится найти 100-200 МГц спектра в каждом из таких городов, а в каких-то городах возможно удастся найти больший частотный ресурс.
1.8. И наконец, в части сетей 5G в России, стоит остановиться на технологической нейтральности. Как говорилось ранее, более низкие диапазоны будут использоваться в комбинации с диапазоном 3400-3800 МГц в первую очередь для компенсации ограничений в восходящем канале. По этой причине очень востребованным является введение принципа технейтральности.
Но есть и еще один фактор, делающий тех. нейтральность востребованной с самого начала внедрения сетей NR. Так, структура распределения частотно-временных ресурсных блоков в технологии NR изначально спроектирована для возможности мультиплексирования сигнала NR с сигналом LTE в одном и том же частотном канале. В направлении UL данное мультиплексирование обеспечивается достаточно легко за счет четкого деления ресурсных блоков между логическими каналами NR и LTE. В направлении DL мультиплексирование является более сложным, но и оно достижимо за счет тонкой настройки сигнала NR.
Таким образом, уже есть все предпосылки для внедрения тех нейтральности относительно технологии ТR в действующих решениях LTE (в LTE 450 пока нет стандарта NR).
1.9. Подводя итоги, можно сделать следующие выводы и предложения по развитию сетей 5G:
Развитие сетей 5G в России зависит от развития глобальной экосистемы абонентских терминалов, которая фактически определяет возврат инвестиций и темпы развития инфраструктуры.
Технологическая нейтральность в действующих полосах радиочастот является самым простым и быстрым способом развертывания сетей NR, но не решает проблему увеличения пропускной способности сетей без выделения новых полос радиочастот.
В условиях ограничений на использование диапазонов 800 МГц и 900 МГц диапазон 700 МГц является наиболее доступным с учетом коротких сроков и малых затрат на его высвобождение от сетей эфирного телевизионного вещания после принятия соответствующего решения.
Данный диапазон вне зависимости от технологии обеспечит базовое покрытие и доступность сервисов цифровой экономики.
Диапазон 3400-3800 МГц, несмотря на сложности обеспечения ЭМС, может быть частично высвобожден в крупнейших городах, где и ожидается основной спрос на высокоскоростные услуги в среднесрочной перспективе. Требуется детальная и конструктивная работа с пользователями ФСС для поиска решения по совмещению. Альтернативные полосы следует рассматривать уже по результатам формирования экосистемы терминального оборудования через несколько лет.
С учетом высоких капитальных затрат и длительных циклов возврата инвестиций необходимо скорректировать вопросы платности спектра в сторону ее уменьшения для стимулирования инвестиций операторов в информационную инфраструктуру.
2. ПОДГОТОВКА К ВНЕДРЕНИЮ СЕТЕЙ 6G
2.1. Для того чтобы понять, что пора уже сейчас задуматься о следующем этапе развития сетей сотовой связи, стоит обратиться к сложившейся практике циклов развития новых поколений сотовой связи. В отличие от чистой IT отрасли, сотовая связь как инфраструктурная отрасль живет достаточно длительными циклами. И жизнь каждого поколения насчитывает не менее 30 лет.
Так каждое поколение начинается со стадии свободных исследований, которые после научного поиска перетекают в исследования для разработки стандартов и в фактическое написание стандартов. Следующие десять лет технология внедряется при одновременном развитии стандартов в направлении к следующему поколению. И уже перешагнув в следующее поколение, технология достигает максимального охвата и входит в стадию возврата инвестиций и генерацию прибыли.
Данная ситуация отлично видна на примере стандарта LTE, который полноправно вошел в семейство радиинтерфейсов 5G, а функционал массового IoT в сетях 5G на текущий момент представлен только технологиями LTE, а именно режимами eMTC и NB-IoT. Ожидается, что и стандарт 6G будет во многом базироваться на эволюции NR в следующее десятилетие. Тем не менее, что будет возможно достичь за счет эволюции NR, а что - за счет создания чего-то нового, начинают изучать уже сегодня.
2.2. На слайде показаны самые первые проекты в области изучения услуг и технологий 6G. Самым основательным пока является проект финского университета Oулу. В части сетевой архитектуры также стоит выделить проект МСЭ-Т по сетям 2030 годов. Уже начаты исследования в Великобритании на основе крупнейшего в Европе исследовательского проекта 5G в университете Сюррей. Наконец, и IEEE также объявило о целой программе исследований в этом направлении.
Одним из первых также является французский проект Brave по изучению суб ТГц связи. Стоит также отметить, что все крупнейшие производители оборудования также ведут внутренние программы исследования и разработки по эволюции NR и разработке 6G.
В ближайшие годы ожидается появление крупных национальных и наднациональных проектов в области 6G. Так Евросоюз планирует запустить новую программу в направлении 6G в конце 2020 года. И здесь важно не отстать от общемирового прогресса на самом старте.
2.3. Что же все-таки нового видится в сетях 6G в отличии от сетей 5G. В какой-то степени это еще большее многообразие услуг с уже экстремальными требованиями по большему числу показателей. Если стандарты 5G создавались из прицела на три крупных сегмента услуг eMBB, mMTC и URLLC со своими наборами требований, то уже сейчас видны применения, которые одновременно требуют возможностей двух или даже всех трех категорий. Так виртуальное присутствие и общение людей уже требует терабитных скоростей и множественных подключений и малой задержки, вместе с новым требованием жесточайшей синхронизации потоков ко всем участникам.
Наконец, появились и новые требования в части безопасности, поддержки распределенных вычислений, необходимость практически бесплатного предоставления доступа в сеть с огромным потреблением трафика, а также возможность осуществления позиционирования объектов с использованием сетей сотовой связи. Все это ставит новые ориентиры для совершенствования технологий.
2.4. Для выполнения столь широкого перечня требований уже недостаточно рассматривать только повышение производительности сетей. Требуется еще большее расширение направлений совершенствования по сравнению с сетями 5G.
На первый план начинает выходить эффективность сети как по энергопотреблению устройств, так и по простоте эксплуатации. Последнее достигается за счет внедрения машинного обучения и упрощения архитектур и протоколов. В не меньшей степени важна и гибкость в применении сетей, что решается за счет внедрения новых топологий, более плотной интеграцией с другими сетями, внедрением новых функционалов по позиционированию и синхронизации, что в конечном итоге должно открыть и новые бизнес модели. И все это на фоне наращивания пропускной способности, как за счет совершенствования сигналов, так и антенной техники, а также за счет освоения новых полос радиочастот.
Подавляющее большинство усовершенствований планируется внедрить в стандарт NR, который изначально был создан с большим запасом на адаптацию и доработку в будущем, еще большим по сравнению с LTE. Однако некоторые требования и новые применения могут быть нереализуемыми даже с использованием NR, что потребует введения новых радиоинтерфейсов, облик которых станет понятен только ближе к середине десятилетия.
Тем не менее, можно уже сейчас перечислить несколько наиболее выдающихся направлений исследований, которые могут потребовать большей доработки NR или создания новых радиоинтерфейсов.
2.5. И конечно же, на конференции по спектру нельзя обойти вопрос новых полос радиочастот. Конечно же, для сетей 6G будет востребована тех нейтральность и все освоенные диапазоны радиочастот, но ряд применений потребует еще больших скоростей, а значит - еще более широких каналов. По этой причине подъем по частоте продолжиться. Если сейчас 3GPP в своих спецификациях остановилось на 52 ГГц, то уже продумывается следующих шаг по расширению спецификаций до порядка 115 ГГц.
Но и это не предел. Для перехода к терабитовым скоростям предполагается рассмотреть полосы радиочастот до 300 ГГц, а потенциально и более высокие вплоть до 1 ТГц. Уже сейчас разработаны прототипы приемопередатчиков на частотах близких к 300 ГГц с шириной канала 25 ГГц, а также идут разработки новых типов антенн для столь высоких диапазонов.
2.6. Несмотря на фантастичность освоения таких высоких полос радиочастот для массовой связи, уже есть понимание применения таких полос и сетей 6G в будущем.
Самым прямым и простым применением является организация транспортных каналов для
БС в более низких диапазонах. Создание сети для сетей БС является необходимым фундаментом, т.к. при увеличении плотности БС прокладка проводных линий связи становится все более сложной и затратной задачей.
Переход к использованию дополненной и виртуальной реальности с качеством сопоставимым с реальным присутствием или так называемая обратная телепортация, когда из удаленного места человеку передается максимальная полная визуальная и сенсорная картина, требует терабитных скоростей и субтерагерцовый диапазон может использоваться для локальных малых сот с дальностью связи порядка десяти метров для передачи таких потоков.
Наконец, отдельной задачей стоит создание сверхлокальных сетей для замены проводов в серверах и роботах, т.к. проводные решения в таких случаях являются крайне громоздкими и
сложными для реализации.
2.7. На следующем слайде хотелось бы перейти к рассмотрению другой экстремальной ситуации, а именно к маломощному и низкоскоростному IoT. Доступные сегодня стандарты действительно позволяют внедрить IoT с длительностью работы от батареи до 10 лет. Однако такой эффект достигается за счет введения большой задержки и очень малого цикла активной работы. При необходимости более интенсивного трафика или меньшей задержки энергопотребление возрастает, а срок работы от батарейки падает.
Но даже с учетом всех оптимизаций и достижения срока работы 10 лет, через 10 лет при
достижении IoT числа подключений в десятки или даже сотни млрд. устройств мы получим задачу замены батареек в десятках млн устройств практически ежедневно.
По этой причине стоит задача создания нового радио интерфейса, который не требовал бы
изменений в канале DL и одновременно бы передавал энергию для накопления в устройства IoT для компенсации разряда батареи. Это позволит увеличить срок работы устройства до 20 лет или более, а в пределе - создать сети, не требующие замены батареек в подключенных устройствах.
2.8. Менее фантастичным вариантом выглядит добавление новых топологий в сети сотовой связи. Во многом это объясняется тем, что такие вещи как ретрансляция или меш-сети уже несколько раз пытались включить в стандарты с переменным успехом. Однако массового характера реализация данного функционала так и не получила. То же самое можно сказать и кооперативном приеме и передаче информации, который в конечном итоге ограничивался управлением АС через БС для борьбы с взаимными помехами.
Однако новый виток развития требует, чтобы данный функционал наконец-то стал частью сетей сотовой связи. Так ретрансляция необходима для расширения покрытия в сельской местности и для обеспечения гарантированного покрытия IoT глубоко внутри помещений и в подвалах. Кооперативный прием и передача нужны для следующего шага для повышения спектральной эффективности и предоставления пропускной способности в наиболее перегруженных сценариях. Наконец меш сети наиболее эффективны при организации синхронной работы роботов или беспилотного транспорта.
2.9. На самом деле в рамках эволюции сетей 5G и разработки 6G рассматривается огромное количество возможных усовершенствований, но в конце хотелось бы отметить тенденцию по повсеместному использованию ИИ в сети, а точнее машинного обучения.
Уже в текущем поколении была попытка внедрить механизмы саморганизации сети для снижения трудозатрат сотрудников на управление сетью, в будущем это станет необходимостью.
Уже сейчас затраты на персонал сопоставимы с капитальными затратами операторов, а с внедрением 5G и более сложным администрированием ручное управление сетью просто приведет к потере финансовой стабильности операторов. Поэтому уже сейчас ведутся работы по созданию протоколов для обучения ИИ на основе параметров работы сетей и протоколы для передачи управляющих действий на конфигурацию сети с целью полной автоматизации управления сетью с минимальным участием человека. Это касается и сети радиодоступа, и ядра сети. В частности, в ядре сети с внедрением сетевых срезов, а фактически виртуальных сетей под разные типы услуг, уровень администрирования и управления становиться настолько высоким и сложным, что машинное обучение оказывается де-факто неотъемлемым.
2.10. Подводя итог, как все-таки нужно заниматься развитием 6G, стоит обозначить следующие выводы и предложения:
Сети сотовой подвижной связи становятся фундаментом информационной инфраструктуры для внедрения услуг и сервисов цифровой экономики. Для обеспечения устойчивости цифровой экономики требуется накопление собственной компетенции в области сетей сотовой связи в стране.
В среднесрочной перспективе необходимо освоение через партнерства, локализацию и открытое программное обеспечение компетенций в развитии стандартов и оборудования NR для дальнейшей эволюции сетей к 6G.
Параллельно требуется организация более долгосрочных фундаментальных и прикладных исследований по наиболее сложным вопросам эволюции сетей и возможностям созданию новых радиоинтерфейсов семейства 6G.
Необходимо финансирование исследований и разработок по аналогии с международным опытом за счет государственных средств, с привлечением отечественных компаний и ВУЗов в качестве участников.
Несмотря на сроки внедрения 6G ближе к 2030 году, начинать исследования и работы по созданию прототипов требуется уже сейчас.
Спасибо за внимание!
----
Новости телекома и IT удобно читать в телеграм-канале abloud62. за Телеграм-трансляциями удобно следить в канале @abloudRealTime.
