Проблематика сотового принципа покрытия в современной мобильной связи
научный журнал «Актуальные исследования» #4 (7), февраль '20

Проблематика сотового принципа покрытия в современной мобильной связи

Постоянное совершенствование технологий и развитие мобильных сетей связи бросают вызов устаревающим моделям проектирования зоны покрытия и частотно-территориального планирования. Представление покрытия сети с помощью сот, с высоты птичьего полета, уже не отражает реальную радиочастотную обстановку. С развитием 5G и ростом числа базовых станций, все более важным становится вопрос необходимости рассмотрения покрытия в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Аннотация статьи
мобильные сети связи
5G
сотовый принцип покрытия
частотно-территориальное планирование
беспроводные сети связи
Ключевые слова

Одной из самых бурно развивающихся отраслей телекоммуникаций, несомненно, являются беспроводные радиосети. Поколения мобильной связи сменяются каждые десять лет, открывая перед пользователями все больше новых возможностей. Обеспечение доступа к информации при передвижении абонента обуславливает рост популярности беспроводных средств связи.

Покрытие базовых станций (БС) мобильной связи принято представлять в виде шестиугольных ячеек – сот. Именно такая структура позволяет обеспечить эффективное частотно-территориальное планирование с учетом повторного использования частей выделенного диапазона, позволяя добиться высокой плотности трафика.

Однако, возникает вопрос, будет ли актуальной данная концепция в развивающихся мобильных сетях пятого поколения (5G)? Сотовая модель частотно-территориального планирования столкнется с рядом вызовов, которые потребуют значительной доработки или даже её кардинального изменения.

Одной из первых и основных проблем сотовых сетей всегда являлась недостаточность покрытия или «теневые зоны». В условиях постоянно изменяющейся инфраструктуры городов и возникновения физических препятствий или радиоэлектронных средств, электромагнитная обстановка становится непредсказуемой, ввиду многолучевого распространения. Это приводит к появлению еще большего количества теневых зон. Решением данной проблемы является постоянный мониторинг радиочастотной обстановки или постоянное изменение расположения базовых станций (БС). Но кардинальные изменения частотно-территориального плана зачастую затратны, поэтому был разработан более эффективный выход.

Помимо деления сот на кластеры, было предложено использование концепции разделения на разноуровневые сети, таким образом возникли макро, микро, пико и даже фемтосоты. Такой подход, конечно, увеличивает затраты на обеспечение покрытия и расчеты, но отличается гибкостью и эффективностью. В дальнейшем, улучшить ситуацию позволила технология координированной передачи/приема (CoMP – Coordinated MultiPoint), призванная осуществлять обслуживание абонентских терминалов (UE – User Equipment) сразу несколькими секторами БС в один момент времени. Эти нововведения изменили сотовую структуру покрытия мобильных сетей, но, по-прежнему, предлагали решение лишь в одной плоскости – горизонтальной. В некоторых ситуациях, представлять покрытие лишь в одной плоскости некорректно, особенно в условиях многоэтажной застройки.

Начиная с Release 10 3GPP, активно вводятся различные антенные технологии – «умная антенна», MIMO (Multiple Input Multiple Output) и Beamforming. Причем уже в 5G принято решение использовать многоэлементные цифровые антенные решетки, что является особенностью ключевой технологии Massive MIMO, которая будет работать совместно с 3D Beamforming (рис. 1).

 

Рис.1. Технология 3D Beamforming и Massive MIMO

Множественные антенные технологии и направленные лучи позволят формировать покрытие не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости. Это также означает, что сотовая структура покрытия должна будет отражать эти особенности, она должна стать «объемной».

В Release 10 разработана технология агрегации спектра (Carrier Aggregation – CA), за счет чего можно достигать гибкости использования спектра, улучшения показателей спектральной эффективности. Существует несколько категорий CA (рис. 2):

– агрегирование смежных компонент внутри одного диапазона частот;

– агрегирование несмежных компонент внутри одного диапазона частот;

– агрегирование компонент в разных диапазонах частот.

Рис. 2. Агрегирование в мобильных сетях

Также, в пятом поколении мобильной связи рассматривается возможность межтехнологичного агрегирования, например с Wi-Fi (Multi-Radio Access Technology – multi-RATs). Это приведет к тому, что важно будет учитывать в частотно-территориальных планах сети, основанные на семействе стандартов 802.11, которые также широко используются в многоэтажной застройке. Данная проблема актуальна в гетерогенных сетях (HetNet).

CoMP введённый в Release11, однако, не стал последней разработкой для улучшения показателей работы абонентского терминала на границе соты. Одной из важнейших технологий в развивающемся стандарте 5G, является частотное разделение каналов «вверх» и «вниз» (Uplink/Downlink Decoupling). Отличие UL/DL Decoupling от давно используемого в сотовой связи дуплексирования с частотным разделением (FDD) заключается в том, что каналы «вверх» и «вниз» рассматриваются как две отдельные сети, к которым пользователи подключаются в зависимости от различных критериев. Это обосновывается тем, что в гетерогенных сетях имеется большой разрыв в передаваемой мощности в различных слоях, что обуславливает дисбаланс в зонах покрытия UL и DL.

Технология UL/DL Decoupling стандартизирована для сетей пятого поколения и совместима с существующими сетями: она включена в спецификации 3GPP Release 15, а также может в зависимости от сценария развертывания и свойств подключения поддерживаться по действующим спецификациям LTE, что позволяет осуществить эволюционный переход от существующих сетей к полномасштабным сетям пятого поколения. Таким образом, сотовая структура покрытия еще больше усложняется за счет того, что будет важно как-то учитывать, в каких участках сети эта технология уже задействована [1].

Одной из основных концепций 5G сети, является расслоение сети, «слайсинг» (англ. Network Slicing), разбивающее одну физическую сеть на несколько слоев, каждый из которых имеет собственные настройки, адаптированные под определенную услугу [2, с. 301]. Учитывая, что в 5G будет три основных сценария, в зависимости от того, какие услуги реализуются (Интернет вещей, высокоскоростной широкополосный доступ, системы с ультранизкими задержками), потребуется учитывать покрытие для каждого сценария. Особенно остро стоит вопрос с реализацией технологий Device to Device (D2D) и Vehicle to Everything (V2X), которые будут положены в основу сетей с беспилотными автомобилями и дронами.

Усложнят ситуацию с покрытием самоорганизующиеся сети и передвижные базовые станции (мобильные сети на основе БПЛА), но это уже, скорее, предмет обсуждений в сетях 6G.

Исходя из приведенных выше аргументов, можно сделать вывод, что сотовая структура мобильной связи устаревает, и необходимо уже сейчас её совершенствовать, и может даже кардинально перестраивать, как минимум в плане того, что вскоре станет важно учитывать покрытие сети не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости. Новая модель должна будет также отвечать требованиям логического разделения сетевых ресурсов (Network Slicing) и агрегации полос, призвана упростить дальнейшую эксплуатацию сети с учетом множества нюансов, пусть и увеличив сложность планирования и проектирования. Автор статьи намерен продолжить исследование данного вопроса.

Текст статьи
  1. Разделение каналов для обеспечения покрытия в сетях 5G [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.iksmedia.ru/articles/5550112-Razdelenie-kanalov-dlya-obespecheni/ (дата обращения 20.01.2020).
  2. Степутин, А.Н., Николаев А.Д. Мобильная связь на пути к 6G. В 2 Т. Том2. 2-е изд. Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2018. 420 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 апреля по 15 апреля
Осталось 9 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
БЕСПЛАТНО
Размещение электронной версии
20 апреля
Загрузка в elibrary
20 апреля
Рассылка печатных экземпляров
25 апреля