Метод проектирования архитектуры сетей 5G на основе существующих LTE да LTE Advanced сетей

РЕФЕРАТ

Работа содержит 125 страниц, 33 рисунка и 23 таблицы. Было использовано 51 источник.

Актуальность темы:

В современном мире исследование технологий да сетей беспроводного связи является очень важной задачей. Каждая новая технология решала проблемы своего времени, и 5G не исключение. Ожидается, что связь MmWave будет играть важную роль в пятом поколение мобильных сетей. Они предлагают потенциальную пропускную способность в несколько гигабит и сверхнизкую задержку радиосвязи, но в то же время страдают от высоких изотропных потерь в тракте передачи и зоны покрытие, гораздо меньше, нож в макросот LTE.

Лучшим вариантом, безусловно, является развертывание сети с нуля. Однако этот вариант есть долговременной перспективой, есть нуждается много времени для реализации, а также больших инвестиций Поскольку операторы связи недавно приложили много усилий для развертывания сетей LTE, имеет смысл использовать их как часть нового поколения 5G В частности, 4G может обеспечить лучший уровень покрытие да сделать сеть 5G более стойкой к отключений да меньше вероятность недоступности услуг. Поэтому операторы, в ближайшее время, будут Искать методы проектирование новых сетей с использованием уже существующего ресурса, то есть LTE и LTE-Advanced.

Цель исследования:

Эта работа направлена на Поиск метода проектирование сетей 5G с использованием уже имеющегося в операторов связи оборудование LTE да LTE- Advanced, чтобы обеспечить плавный переход к новой технологии, а также повысить надежность да производительность сети 5G путем тесной и беспрепятственной интеграции с текущей сетью LTE.

Задачи исследования:

Объект исследование: интеграция сетей LTE да 5G.

Предмет исследование: Метод проектирование архитектуры сетей 5G на основе существующих LTE да LTE Advanced сетей.

Методы исследование: основным методом исследование есть имитационное моделирование.

Научная новизна полученных результатов:

В работе представлено архитектуру тесной взаимодействия для EPC да 5GC. Днтально описана архитектура двойного подключения и реализация хендовера. между LTE да 5G. Предлагаемый метод развертывание сетей 5G позволит использовать сети LTE в качества базы для сети 5G, что позволит повысить надежность да производительность последней, а также реализовать возможность двойного подключение.

Практическое значение полученных результатов:

Результаты исследование позволят развернуть архитектуру сети 5G используя ресурс имеющийся у операторов связи в виде сетей LTE и LTE Advanced, что увеличить надежность сетей нового поколение, а также реализует тесную интеграцию между LTE и 5G.

Публикации:

Результаты магистерской диссертации опубликовано в 3 сборниках материалов конференций.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ABF Analog Beamforming Аналоговое формирование луча

AM Acknowledged Mode Подтвержденный режим

AMC Adaptive Modulation and Coding

Адаптивная модуляция и кодирование

AoA Angle of Arrival Угол принятие

AoD Angle of Departure Угол передачи

BLER Block Error Rate Блок ошибок

BS Base Stations Базовая станция

CB Code Block Блок кода

CDF Cumulative Distribution Function

C-RNTI Cell Radio Network Temporary Identifier

Функция кумулятивного распределения

Временный идентификатор сотовой радиосети

CQI Channel Quality Indicator Индикатор качества канала

CRT Complete Report Table Полная таблица отчетов

CSI Channel Side Information Информация о канал

DBF Digital Beamforming Цифровой луч

DC Dual Connectivity Двойное подключение

DL Downlink Нисходящая линия связи

DRB Data Radio Bearer Радионоситель данных

eNB evolved Node Base Усовершенствованная база узлов

EPC Evolved Packet Core Усовершенствованное пакетное ядро

EPS Evolved Packet System Усовершенствованная пакетная система

E-RAB E-UTRAN Radio Access Bearer

Носитель радиодоступа E- UTRAN

E-UTRAN Evolved Universal Усовершенствованная

Terrestrial Radio Access Network

FDD Frequency Division Duplexing

универсальная наземная сеть радиодоступа

Дуплексное деление частот

FS Fast Switching Быстрое переключение

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

Гибридное автоматическое повторение запроса

HBF Hybrid Beamforming Гибридное формование луча

HH Hard Handover Жесткий хендовер

IA Initial Access Начальный доступ

IMSI International Mobile Subscriber Identity

ITU International Telecommunication Union

Международная идентификация абонента мобильного связи

Международный союз электросвязи

LOS Line of Sight Линия зрения

MAC Medium Access Control Средний контроль доступа

MCG Master Cell Group Группа главных сот

MCS Modulation and Coding Scheme

Схема модуляции и кодирование

MeNB Master eNB Главная eNB

MIB Master Information Block Главный информационный блок

MICB Mutual Information per Coded Bit

MIMO Multiple Input Multiple Output

MME Mobility Management Entity

MMIB Mean Mutual Information per coded Bit

MTU Maximum Transfer Unit Максимальная единица передачи

NLOS Non Line of Sight Нет линия зрения

NYU New York University Нью-Йоркский университет

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency- Division Multiple Access

PDCP Packet Data Convergence Protocol

Мультиплексирование с ортогональным разделением частот

Ортогональный множественный доступ с делением частоты

Протокол конвергенции пакетных данных

PDU Packet Data Unit Блок пакетных данных

P-GW Packet Gateway Шлюз пакетов

PHY Physical Физический

QoE Quality of Experience Качество опыта

RA Random Access Случайный доступ

RAN Radio Access Network Сеть радиодоступа

RAT Radio Access Technology Технология радиодоступа

RLC Radio Link Control Контроль радиосвязи

RLF Radio Link Failure Ошибка радиосвязи

RMS Root Mean-Squared Корень среднеквадратический

RRC Radio Resource Control Контроль радиоресурсов

RT Report Table Таблица отчетов

SCG Secondary Cell Group Вторичная группа сот

SDN Software Defined Networking

Программно-определенная сеть

SDU Service Data Unit Блок обслуживания данных

SeNB Secondary eNB Вторичный eNB

S-GW Service Gateway Сервисный шлюз

SI System Information Информация о систему

SIB System Information Block Блок системной информации

SRB Signalling Radio Bearer Радионоситель сигнализации

TB Transport Block Транспортный блок

TDD Time Division Duplexing Дуплекс временного разделения

TDMA Time Division Multiple Access

Множественный доступ с делением времени

TM Transparent Mode Прозрачный режим

UE User Equipment Оборудование пользователя

UL Uplink Восходящая линия связи

ULA Uniform Linear Array Равномерный линейный массив

UM Unacknowledged Mode Неизвестный режим

RA Random Access Случайный доступ

ВВЕДЕНИЕ

Мобильная сеть следующего поколения (5G) будет развернута уже скоро, что обусловлено увеличением спроса на мобильный трафик и множеством вариантов использование, которые нет могут быть довольны текущими сетями LTE. Согласно с последним отчетом Ericsson Mobility Report [1], ожидается, что трафик смартфонов в мобильных сетях вырастет в 12 раз к 2021 году. Как показано на рис. 1.1, ежемесячный трафик на один смартфон в Европе и США будет больше 15. ГБ.

Рис. 1.1 Отчет Ericsson Mobility Report: прогноз по мобильному трафику Сеть 5G необходима для удовольствие этих требований к трафика, рост

количества подключенных устройств и определение новых бизнес-моделей для операторов сетей Она будет разработана с учетом целостного подхода с учетом разных вариантов использование, чтобы обеспечить оптимизированный

подход для каждого из них. Согласно рекомендациям [14], сети 5G должны поддерживать:

В последние годы исследование 5G стали горячей темой в области телекоммуникаций На самом деле есть несколько проблем, которые необходимо решить, чтобы удовлетворить или требования. Например, низкая задержка может нуждаться перепроектирование базовой сети. Массовое развертывание MTC нуждаются дешевой электроники и простых сетевых процедур.

Однако главное Задача - достичь сверхвысокой пропускной способности. Одним из возможных факторов есть использование частот миллиметрового диапазона. Действительно, спектр на более низких частотах микроволн очень фрагментирован, и выделение больших участков спектра (для получение большой доступной полосы пропускание) есть невозможным. Напротив, в миллиметровом диапазоне есть шанс выделить гигагерцову туман пропускание операторам сети[15].

Однако при использовании несущих частот выше 10 ГГц появляется ряд проблем:

Таким образом, каналы mmWave могут обеспечивать очень высокую пропускную способность, но их качество варьируется. В частности, для пользователя оборудование (UE) может ощущаться сбой, или SINR может быть слишком низким для связи с развитой узловой базой mmWave(eNB). Возможное решение - использовать сеть LTE, которая работает на частотах микроволн, как запасной вариант. В современных мобильных сетях обычная процедура, какая используется для отката, – это передача обслуживания (хендовер). Однако обычная процедура LTE может быть слишком медленной, и может быть интервал, в течении какой сотовая связь будет недоступен.

В этой работе исследуется интеграция между сетями LTE и 5G, а также альтернатива стандартной передачи обслуживания (хендовер). В интегрированной системе UE находится в состоянии подключения как к LTE, так и к eNB mmWave. Потому это именуется установкой с двойным подключением. Эта система будет проанализирована на предмет использования быстрого переключения, то есть только один с двух узлов eNB будет обслуживать данные в UE, но можно будет переключиться с одной технологии радиодоступа (RAT) на другую с помощью одного управляющего сообщение без участия базовой сети

Исследования 5G основываются на прогнозах, предполагающих рост мобильного интернет-трафика (как человеческого, да и машинного). Существует множество технологий, которые были определены в качестве вспомогательных в нескольких документах, в которых предлагаются руководящие принципы и направления исследований для сетей 5G.

РАЗДЕЛ 1

ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПРОБЛЕМ Развертывание СЕТЬ 5G

Амбициозные цели, на которых базируется проектирование сети 5G, требуют как эволюции текущего радиодоступа да базовой сети LTE 4G, да и новых прорывных технологий. Такой проблемы, как увеличение емкости в 1000 раз, увеличение скорости передачи данных в 100 раз, задержка менее 10 мс [19], рядом со устойчивыми расходами и постоянной качеством взаимодействия (QoE), можно решить только за помощью комбинации разных решений, на основе новаторских технологий и усовершенствований надежных и известных систем. В частности, авторы обзора в [20] перечисляют в качества потенциальных факторов, что способствуют использованию частот миллиметрового диапазона, массивный множественный вход и множественный выход (MIMO), интеллектуальные инфраструктуры и встроенная поддержку для разных вариантов использование (мобильный широкополосный доступ, массивный M2M, сверхнизкая задержка). Другие статьи авторы которых согласны с этой точкой зрения также добавляют разделение уровня управления и пользователя, как в программно-определенных сетях (SDN) [2], полнодуплексные радио [21] и гетерогенные сети На рис. 1.2 показан полный набор потенциальных факторов и подробно описана их роль по отношению к всей системы.

Рис. 1.2 Видение мобильной сети 5G и потенциальные возможности для внедрение технологий

5G:

Поэтому опишем, как некоторые с этих технологий могут способствовать развития сетей

свободного неиспользованного спектра, который может быть выделен операторам связи. на этих частотах распространение есть затрудненным, но, за исключением чувствительности к засорение, условия очень похожи на микроволне;

микроволн, чтобы избежать перебоев в обслуживании. В рамках предложения HetNet использование разделения плоскостей U/C значит, что функциональные возможности пользовательской плоскости могут быть предоставлены малыми сотами mmWave 5G, в тот время как сообщение уровня управление отправляются с использованием уровня покрытие, что разрешает повысить надежность соединение;

терминалах, так и на базовых станциях. Ее можно использовать либо в сети радиодоступа, или для транзитных соединений между базовыми станциями [24];

Как упоминалось выше, внедрение связи на частотах миллиметрового диапазона в сетях 5G рассматривается как способ достижения целей по пропускной способности и увеличение мощности. Частоты миллиметровых волн - это те, которые находятся в диапазоне 3-300 ГГц, где длина волны действительно находится в диапазоне 1-100 мм. В основном они не лицензированы или лицензированы слабо [26], и Международный союз электросвязи (ITU) определит, которые полосы частот есть наиболее подходящими для сетей радиодоступа 5G. Рис. 1.3 сразу показывает, почему эти системы привлекают исследователей в области электросвязи: потенциальный спектр, какой может быть выделен системам 5G, очень большой. Потенциальные несущие частоты, исследованные группой из Нью-Йоркского университета, составляют 28 ГГц и 73 ГГц [4].

Рис. 1.3 Спектр в диапазоне [0, 300] ГГц

Использование таких высоких частот дает несколько преимуществ, а также некоторые недостатки. Основные плюсы:

Среди основных минусов:

Распространение mmWave радио

Измерение распространения миллиметрового диапазона на открытом воздухе проводились только в последние годы, в тот время как внутренняя строение широко освещалась с 1980-х годов [27], а использование миллиметрового диапазона для внутреннего связи уже есть частью стандарта [28]. В [3] авторы предлагают

использовать частоты миллиметрового диапазона в мобильных сетях; Вскоре ушли внешние измерение, основные предыдущие результаты которых представлены в [4, 26].

Некоторые общие размышления можно сделать относительно распространение частот миллиметрового диапазона:

Измерение [4] подтверждают или общие размышления. Они были выполнены в Нью-Йорке с использованием высоконаправленных антенн на частотах 28 ГГц и 73 ГГц. Из черт 1.4 видно, что закон Фрииса (линия свободного пространства) соответствует измерениям для случая прямой видимости (LOS), в то время как сценарий без прямой видимости (NLOS) демонстрирует линейную поведение на расстояния, с дополнительным ослаблением на 20 дБ по отношению к случае LOS. Максимальное расстояние, рассмотренное на рисунке, составляет 200 м, т.к. большем расстоянии сигнал не измеряется (при изменении мощности передачи от 15 до 30 дБм). Этот случай рассматривается как сбой, то есть мобильный терминал не может принять сигнал от базовой станции Это расстояние является фактическим пределом радиуса. малых сот миллиметрового диапазона, которые должны быть плотно развернуты для обеспечение равномерного покрытие.

Рис. 1.4 Потери в тракте для частот 28 ГГц и 73 ГГц

Направленная передача mmWave

Как упоминалось выше, высокие потери изотропного распространения могут быть компенсированы направленными антеннами с высоким коэффициентом усиление формирование луча. Это, однако, определяет другую проблему: направленность для UE имеет отслеживать и учитываться в eNB [15].

Более того, высоконаправленные передачи создают проблемы для широковещательных сигналов и синхронизации для начального поиска сотов. Как объясняется в [29], существует компромисс направленности. При всенаправленном связи диапазон, какой может покрыть каждый eNB mmWave, ограниченный, но, в в то же время все устройства, находящиеся в зоне действия, могут принимать трансляцию. информации. С другой стороны, полу- или высоконаправленное решение позволяют увеличить дальность передачи и уменьшить помехи, но тогда при доступе к сети необходимый пространственный Поиск. Кроме того, если широковещательные передачи являются всенаправленными, а передача данных вместо этого является направленной, может быть несоответствие между областью, в какой может приниматься информация о синхронизацию и управлении широковещательной передачей, и областью, в какой поддерживаются передачи данных, как показано в [30]. Направленная процедура для начальный доступ (IA), с другой стороны, может вносить дополнительные задержки [15]. Проблемы задержки и покрытия для IA оцениваются в [31], а в [32] оценивается производительность разных решений, что позволяют избежать жадного пространственного поиска.

Потребление мощности mmWave

Еще одна проблема, какую необходимо решить при рассмотрении связи с использованием технологии mmWave и очень высокой используемой полосой пропускание - это энергопотребление. В современных сотовых сетях, как показано на рис. 1.5, потребление энергии базовыми станциями составляет почти 60% счета за электроэнергию типичного оператора связи. Поскольку

ожидается, что количество развернутых ячеек увеличится с учетом меньшего покрытие частот миллиметрового диапазона [15], необходимо принять энергоэффективный подход при проектировании и планировке сетей 5G.

Рис. 1.5 Типовое энергопотребление в текущей мобильной сети Особое внимание след уделить конструкции аналого-цифровых

преобразователей и блоков обработки. Действительно, энергопотребление аналого-цифрового преобразователя линейно зависит от рассматриваемой скорости. Например, современная схема, работающая на скорости 100 Мс/с [33], может потребовать до 250 мВт при работе, что вызывает слишком высокое потребление энергии в мобильных терминалах миллиметрового диапазона[15]. Ожидается, что решение с цифровым формированием диаграммы направленности (DBF), в которых используются два аналого-цифрового преобразователя для каждой антенны, будут иметь более высокое энергопотребление, нож системы с гибридным формированием диаграммы направленности (HBF), в которых используется меньше количество аналого цифровых преобразователей, цене меньшей гибкости. Однако в [6] оценивается эффективность разных схем формирование диаграммы направленности с точки зрения потребляемой мощности P tot . В частности, авторы рассматривают все элементы в приемники миллиметровых волн, есть нет только аналого-цифровые преобразователи,

но также комбайнеры, смесители, малошумные усилители, разные полосы пропускание B и количество бит b для аналого-цифрового превращение. Как показано на рис. 1.6, существуют некоторые значения b , для которых потребляемая мощность приемника с DBF меньше, нож в приемника с HBF. Вместо этого этого аналоговое формирование луча (ABF) всегда имеет меньше всего энергопотребление при одинаковый количества используемых антенн.

Рис. 1.6 Ptot для B = 1 ГГц разные схемы формирование луча и количество антенн NANT

Энергопотребление систем миллиметрового диапазона было изучено по отношению к достижимой скорости в [7], чтобы понять, влияют ли условия LOS или NLOS на энергопотребление и какую полосу пропускания следует выделить в двух разных сценариях. . В частности, коэффициент потребление (CF) определяется как: