Спецпроекты

Как будут строиться сети 5G в России. Планы государства

10836
Бизнес Телеком Интеграция ИТ в госсекторе

Госпредприятие НИИР подготовило план строительства в России сетей 5G. Сети будущего поколения предлагается строить на базе трехуровневой иерархии — округ/регион/город. Они также должны будут поддерживать три типа сетевых слоев для различных сценариев применения 5G.

Три сценария применения 5G

Госпредприятие «Научно-исследовательский институт Радио» (НИИР) подготовило проект концепции строительства в России сетей следующего, пятого поколения сотовой связи (5G). Документ (имеется в распоряжении CNews) описывает пути строительства сетей 5G с учетом различных сценариев применения будущих технологий.

В сетях 5G будет три основных сценария применения. Первый из них — усовершенствованная подвижная сеть eMBB (Enhanced Mobile Broadband) — представляет собой развитие технологий мобильного интернета.

Данная технология предоставляет услуги, ориентированные на человека, и обеспечивает доступ к мультимедийному контенту: Ultra-HD, 3D-видео, онлайн-игры, виртуальная и дополненная реальность, расширенные сервисы социальных сетей, облачные сервисы, музыка в реальном времени, вещание. Для работы eMBB необходимы мультигигабитные скорости передачи данных, энергоэффективность и эффективность использования спектра.

Другой сценарий — крупномасштабные системы межмашинных коммуникаций (MIoT, Machine Type Communication). Данный сценарий применим для работы большого количества подключенных устройств, передающих относительно небольшой объем данных, не столь чувствительных к задержкам

5g1.jpg
Пример разделения опорной сети 5GC на сетевые слои

Он будет применяться в энергетике, транспорте, здравоохранении, торговле, общественной безопасности, промышленности, ЖКХ, беспилотных транспортных системах. Для работы этого сценария необходима низкая стоимость абонентских устройств при поддержке большой зоны охвата и продолжительного времени работы устройства от батареи.

Третий сценарий применения сетей 5G — сверхнадежная передача данных с малой задержкой (URLLC, Ultra-Reliableand Low Latency Communications). Данный сценарий предъявляет высокие требования к пропускной способности, задержкам и готовности.

Он будет использоваться для беспроводного управления промышленными и производственными процессами, дистанционной медицине, автоматизации распределения энергии в умных электросетях, общественной безопасности, умных домах и городах, интеллектуальных транспортных средствах и внедрениях интеллектуальной дорожной инфраструктуры на базе V2X (Vehicletoeverything, подключение автомобиля к любому объекту в сети).

Агрегация частот и спецменеджер частот

В 5G будет использовать целый набор доступных частотных диапазонов. Частоты в диапазоне ниже 1 ГГц, в частности 694-790 МГц, будут применяться за пределами крупных городов благодаря большой зоне покрытия. Частоты в диапазонах от 1 ГГц до 6 ГГц, в частности 4.4-3,8 ГГц, 4,4-4,99 ГГц и 5,9 ГГц, обеспечат покрытие крупных городов.

Частоты в миллиметровом диапазоне (выше 24 ГГц) — 24-29,5 ГГц, 30-55 ГГц, 66-75 ГГц, 81-86 ГГц, будут пригодны для точечного покрытия в местах наибольшего скопления абонентов: аэропорты, вокзалы, стадионы и т. д.

5g2.jpg
Вариант развертывания сети 5G/IMT-2020 в России

В сетях 5Gбудет доступна технология LAA (Licensed-Assisted Access) — использование участков нелицензируемого спектра со свободным доступом пользователей для формирования вторичных агрегируемых несущих (SCC) в групповом агрегируемом канале. Будет доступна агрегация с частотами в диапазонах ниже 7 ГГц, в том числе с частотами, которые сейчас используются для технологии Wi-Fi.

Также ожидается применение технологии LSA (Licensed Sharing Access), обеспечивающей совместное использование участков лицензируемого спектра, выделенных оператором одной или разных радиослужб. LSA обеспечит предоставление дополнительного спектрального ресурса пользователям подвижной широкополосной связи, если перегруппировка спектра невозможная или нежелательная.

Дополнительные пользователи получают разрешение задействовать спектр в соответствии с правилами, включенными в их права на использование спектра. Это позволяет всем уполномоченным пользователям, включая традиционных, обеспечивать определенное качество обслуживания (QoS).

Для обеспечения возможности использования LSA в сетях 5G будет доступна новая функциональность — спектральный менеджер (HSM). Он позволит рассматривать только те частотные ресурсы, которые доступны для повторного использования, и распределит их между вторичными пользователями частотного ресурса LSA. Роль HSM может быть определена регулирующим органом, независимой доверенной третьей стороной или даже одним из владельцев лицензии радиочастотного спектра.

Потенциальные требования к некоторым приложениям 5G и возможность предоставления услуг на существующих сетях

Сценарий использования Приложение Основные требования Возможность предоставления на сетях LTE Advanced Требования к покрытию
Сверхширокополосная мобильная связь (еМВВ) Видео со сверхвысоким разрешением (4К. 8К). 3D видео (в т.ч. широковещательные услуги) Сверхвысокая скорость радиосоединения, низкая задержка (видео реального времени). Задержка <200 мс 1. LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит с км2) 2. От 100 Гбит с. км2 до 1000 Гбит с км2 - только сети ГМТ-2020 Ограниченное
Виртуальная реальность (применение VR в производстве, телеприсутствие и прочие VR-сервисы). Дополненная реальность Сверхвысокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка 1. LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит с км2) и требованиях по задержке до 7 мс. 2. Требования по скорости свыше 4 Гбит с и задержке < 2 мс - только сети ГМТ-2020 Ограниченное
Тактильный интернет Сверхнизкая задержка Только сети ГМТ-2020 Ограниченное
Игры в облаке (VR-сервисы с коммуникациями) Сверхвысокая скорость радиосоединения. Низкая задержка < 7 мс Только сети ГМТ-2020 Ограниченное
Мобильная «последняя миля» - альтернатива оптической линии связи до квартиры Высокая скорость радиосоединения до 150 Мбит'с LTE Advanced - возможно при невысокой концентрации абонентов (суммарная пропускная способность до 100 Гбит с км2). Ограниченное
Беспроводная связь в высокоскоростных поездах Скорость до 500 км/ч. Задержка < 10 мс LTE Advanced - возможно Отдельные транспортные артерии
Услуги передачи данных в условиях высокой концентрации абонентов Суммарная пропускная способность до 100 Гбит/с/км2 Только сети ГМТ-2020 Ограниченное!
Массовая межмашинная связь (М1оТ) Подключенные счетчики воды, электроэнергии и пр. Возможность преодоления препятствий LTE Advanced - возможно - до 100 тыс. устройств на кв. км. Региональное или федеральное
Умный дом (подключенные бытовые устройства и пр.) Возможность преодоления препятствий LTE Advanced - возможно - до 100 тыс. устройств на кв. км. Региональное или федеральное
Умный офис Функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, возможность преодоления препятствий, высокая надежность радиосоединения LTE Advanced - возможно - до 100 тыс. устройств на кв. км. Региональное или федеральное
Умный город (системы видеонаблюдения и пр.) Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях оыстродвижушихся объектов и наличия препятствий, высокая надежность радиосоединения, возможность преодоления препятствий 1. LTE Advanced - возможно - до 100 тыс. устройств на кв. км. 2. Полномасштабный «Умный город» в крупных городских агломерациях с высокой плотностью населения - только сети ГМТ-2020 Городское
Сенсорные сети (промышленные, коммерческие и т.д.) Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях оыстродвижушихся объектов и наличия препятствий, Mesh сеть 1. LTE Advanced - возможно - до 100 тыс. устройств на кв. км. 2. Сценарии со сверхвысокой концентрацией датчиков 1оТ в отдельных зонах (производство, инфраструктура) - только сети ГМТ-2020 Ограниченное
Массовая межмашинная связь (М1оТ) Удаленный контроль перево зок (мониторинг транспортных средств) Работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий LTE Advanced - возможно Региональное или федеральное
Сверхнадежная связь Частичная промышленная автоматизация, мониторинг и контроль Надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях. функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций 1. Удаленный контроль производственного оборудования и объектов - возможно LTE Advanced 2. Smart Grid - («умные» сети) -управление производством, передачей и потреблением электроэнергии - возможно LTE Advanced Региональное или федеральное
Полная промышленная автоматизация, в том числе управление ключевыми энергетическими объектами, удаленно управляемое оборудование Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций Только сети IMT-2020 Ограниченное
Критически важные приложения. Электронное здравоохранение (удаленная хирургия при помощи роботов и др.) Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая или сверхнизкая задержка Только сети IMT-2020 Ограниченное
Критически важные приложения (работа в опасных средах, спасательные миссии) Высокая или сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая или сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, возможность преодоления препятствий 1. Дроны (наблюдение, доставка) -возможно LTE Advanced 2. Дроны. спасательные роботы (real-time - поиск людей, тушение пожаров и пр.) - только сети IMT-2020 Региональное или федеральное
Поддержка транспорта. Требуется непосредственное участие водителя (прямые коммуникации между устройствами, предиктивная аналитика движения, оповещения об опасных ситуациях, анализ плотности трафика) Высокая надежность и высокая скорость радиосоединения, низкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях, функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий Частичная автоматизация транспортной системы - возможно LTE Advanced Региональное или федеральное
Беспилотный транспорт (полнофункциональная интеллектуальная поддержка транспортной системы, в том числе автоматизация вождения) Сверхвысокая надежность и высокая скорость радиосоединения, сверхнизкая задержка, работа на коротких и длинных дистанциях. функционирование в условиях чрезвычайных ситуаций, работа в условиях быстродвижущихся объектов и наличия препятствий Только сети IMT-2020 Региональное или федеральное

Источник: CNews Analytics

Операторы мобильной связи могут достичь взаимного согласия через менеджера спектра HSM для того, чтобы иметь общий ресурс спектра, дополненный спектральными ресурсами каждого из операторов и доступный для всех шеринговых операторов. Недостатком использования технологии LSA в сетях 5Gявляется накопление задержки при принятии решения спектральным менеджером о возможности использования полос LSA за счет необходимости обращения к геолокационной базе данных, что делает их неприменимыми в бизнес-моделях критических услуг 5G.

Соответственно, LSA и LAA будут доступны для двух возможных сценариев применения сетей 5G — MioT и eMBB, но не доступны для URLCC. LAA будет доступен в диапазонах 694-870 МГц, 3,4-3,8ГГц, 4,4-4,99 ГГц, 24,25-29,5 ГГц и 30-55 ГГц. LSA будет доступен в диапазонах 694-790 МГц, 3,4-3,8 ГГц, 4,4-4,99 ГГц и 5,9 ГГц.

Сетевые слои 5G

Для предоставления абоненту услуг определенного сегмента будет задействоваться сетевой слой сети 5G, который включает в свой состав необходимый набор виртуальных сетевых функций VNF. Один абонентский терминал может использовать до восьми таких сетевых слоев. Особенностью является то, что модуль управления доступом и мобильностью AMF должен быть общим для всех сетевых слоев, обслуживающих абонентский терминал.

Каждый сетевой слой характеризуется информацией S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information, идентификатор сетевого сегмента). Информация о нескольких сетевых слоях (до восьми) группируется в свободную информацию о сетевых слоях NSSAI (Network Slice Selection Assistance Information). Свободная информация NSSAI формируется раздельно для разных сетей мобильной связи в зависимости от идентификатора PLMN-id (Public Land Mobile Network Identifier, идентификатор наземной подвижной сети общего пользования).

Рекомендуемые диапазоны частот для реализации различных сервисов системы 5G

Тип услуг 5G Высокоуровневые требования Возможные вопросы, связанные со спектром Оптимальные частотные диапазоны
Усовершенствованная подвижная широкополосная связь Сверхвысокоскоростные радиоканалы С'верхшнрокие полосы несущих 24 ГГц и выше
Высокоскоростные радиоканалы Широкие полосы несущих 3,4- 3,8 ГГц. 4,4- 4,99 ГГц
Устойчивость к большому Допплеровскому сдвигу Зависит от требований к емкости Все диапазоны
С'верхмалая временная задержка Приложения малого радиуса действия 3,4- 3,8 ГГц. 4,4- 4,99 ГГц. 24 ГГц и выше
Малая временная задержка Приложения среднего радиуса действия 3,4- 3,8 ГГц. 4,4- 4,99 ГГц
Сверхвысоконадежные радиоканалы Существенное влияние атмосферных осадков на надежность outdoor радиоканалов мм-диапазона Ниже 1 ГГц. 3,4- 3,8 ГГц. 4,4- 4,99 ГГц
С'верхнадежная передача данных с малой задержкой Малый радиус действия Использование радиочастот мм-диапазона 24 ГГц и выше
Средний радиус действия - 3,4- 3,8 ГГц. 4,4- 4,99 ГГц
Преодоление препятствий радиосигналом на своем ПУТИ - Ниже 1 Гц
Крупномасштабные системы межмашинной связи Работа в cluttered environment Доминирование дифракции в низких и отражений в высоких частотных диапазонах Все диапазоны
Работа около быстро движущихся препятствий Каналы с частотно избирательным замиранием (фейдннгом) Предпочтительные частоты ниже 4 ГТц
Mesh networking Высокоскоростный распределенный беспроводной backhaul, работающий в или вне полосы (in-band или out-of-band) Выше 24 ГГц

Источник: CNews Analytics

Информация о сетевом слое S-NSSAI опорной сети 5GCore содержит ключевой параметр: тип сетевого слоя/сервиса SST. Для eMBBB данный параметр равен «1», для URLCC — «2», для MIoT — «3». Сетевые слои на базовых станциях gNB позволяют обеспечить гибкое распределение частотно-временных ресурсов между сетевыми слоями, учитывая особенности организации частотно-территориального покрытия.

Трехуровневые географически-распределенные сети 5G

В НИИР предлагают строить сети 5G на базе трехуровневой модели: федеральный округ (макрорегиональный уровень), субъект федерации, город/муниципальное образование (местный уровень).

На уровне федеральных округов в ЦОДах развертываются виртуальные сетевые функции VNF (Virtual Network Function) плоскости управления: серверы аутентификации AUSF (Authentication Server Function), унифицированные базы данных UDM (Unified Data Management), выбор сетевого слоя NSSF (Network Slice Selection Function), управление доступом и мобильностью AMF (Core Accessand Mobility Management Function), управление сессией SMF (Session Management Function), передача данных абонентов UPF (User Plane Function), управление политиками PCF (Policy Control Function), системы хранения структурированных данных SDSF (Structured Data Storage Network Function), управление сетью согласно требованиям приложений AF (Application Function), обеспечение взаимодействия сети с внешними функциями NEF (Network Exposure Function), репозитории (хранилища) сетевых функций NRF (NF Repository Function).

Виртуальные сетевые функции AUSF, UDM и NSSF не относятся к сетевым слоям и являются общими. NRF и PCF обслуживают все сетевые слои. Виртуальные сетевые функции AMF, SMF и UPF макрорегионального уровня обслуживают сессии и трафик сетевых слоев не критичных к задержкам (eMBB, MIoT).

ЦОДы некоторых федеральных округов смогут содержать только часть виртуальных сетевых функций, например AMF, SMF и UPF, а также виртуальные сетевые функции, такие как NSSF, AUSF, UDM, NRF и PCF, обслуживать несколько федеральных округов.

Описание семейства радиоинтерфейсов сетей 5G/IMT-2020

Параметр Эволюция стандарта LTE-Advanced Эволюция стандарта LTE-Advanced Эволюция стандарта LTE-Avanced Эволюция стандарта LTE-Advanced Эволюция стандарта LTE-Advanced NR Фаза 1 и Фаза 2 NR Фаза 1 и Фаза2
NB-IoT LTE-eMTC LTE-Advanced и улучшения LTE-eLAA MultiFire LTE-V2X C-V2X NR ниже 6 ГГц NR выше 6 ГГц
Ширина канала 180/200 кГц 1,06 МГц (размещается внутри канала LTE 5 МГц или шире) 1,4 МГц, 3 МГц. 5 МГц. 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц. Возможна агрегация нескольких несущих. 20 МГц н агрегация нескольких несущих 10 МГц или 20 МГц 5 МГц. 10 МГц, 15 МГц. 20 МГц, 25 МГц. 30 МГц. 40 МГц. 50 МГц. 60 МГц, 80 МГц и 100 МГц. Возможна агрегация нескольких несущих. 50 МГц. 100 МГц. 200 МГц и 400 МГц. Возможна агрегация нескольких несущих.
Диапазоны Отдельные полосы 450-3800 МГц. но преимущественно низкие полосы радиочастот Отдельные полосы 450-3800 МГц Отдельные полосы 450-3800 МГц 5150-5350 МГц. 5470-5850 МГц 5855-5925 МГц. а также диапазоны 450-3800 МГц в части получения вспомогательной информации Отдельные полосы 450-3800 МГц. а также 3800-4200 МГц и 4400-5000 МГц 26,5-29,5 ГГц. 24,25-27,5 ГГц 37-40 ГГц
Задержка (на уровне радиоинтерфейса) Секунды Десятки мс 5-10 мс, прорабатывается дальнейшее снижение 5-10 мс Не более 4 мс 4 мс (Фаза 1) 1 мс (Фаза 2) 4 мс (Фаза 1) 1 мс (Фаза 2)
Пиковые скорости Порядка 130 кбит/с До 1 Мбит/с До 2 Гбит/с Сотни Мбит/с До 44 Мбит/с 2 Гбит/с или более До 20 Гбит е
Ожидаемые применения Маломощные и простые устройства1оТ датчики, счетчики) Маломощные устройства (носимая электроника. более сложные датчики и счетчики) Мобильный широкополосный доступ. профессиональная связь, сложные 1оТ системы Мобильный широкополосный доступ, частные сети LTE (в том числе для промышленного 1оТ) Вспомогательные системы вождения, автомобильная безопасность, элемент автономного автотранспорта. Фаза 1 : Мобильный широкополосный доступ, сложные 1оТ системы Фаза 2: Дальнейшие улучшения, включая критически важные системы 1оТ Фаза 1 : Мобильный широкополосный достучт трафикоемкие 1оТ системы Фаза 2: Дальнейшие улучшения, включая критически важные системы 1оТ

Источник: Cnews Analytics

В целях обеспечения высокой надежности возможно использование георезервирования — развертывание географически удаленного резервного ЦОДа. Резервный ЦОД может иметь меньшую производительность за счет отсутствия георезерирования отдельных виртуальных сетевых функций VNF, например, виртуальных сетевых функций сетевого слоя MIoT. В таком случае надежность сетевого слоя MIoT определяется техническими решениям основного ЦОДа.

На уровне субъектов федерации размещаются пакетные шлюзы UPF сетевого слоя eMBBи платформы приложения VAS, допускающие задержки передачи данных 50-75 мс (например, игры в реальном времени и некоторые платформы V2X, трафик которых не требует ультрамалых задержек). В случае размещения шлюзов UPF на уровне субъектов России и реализации голосовых услуг посредством подсистемы IMS целесообразно там же размещать оборудование коммутации голосового трафика (IMSSDC, IM-MGW).

На уровне городов/муниципальных образований размещаются пакетные шлюзы UPF сетевого слоя URLLC, обеспечивающие ультрамалые задержки передачи данных 5-30 мс. Для услуг URLLC, требующих хендовер (сохранение связи при переходе абонента из одной соты в другую), например, услуг интеллектуальных транспортных систем V2X, необходимо также на местном уровне размещать виртуальные сетевые функции AMF и SMF. Наличие виртуальных сетевых функций AMF и SMF невысокой производительности на локальном уровне уменьшает задержки в процессе хендовера.

При развертывании сетей 5G необходимо будет обеспечить следующие возможности: возможность локализации трафика за счет децентрализации пакетных шлюзов UDF и размещения их ближе к абоненту, в том числе в составе оборудования базовой станции, гибкие режимы управления сессиями абонентов, в том числе обеспечение непрерывности сессий абонентов при смене обслуживающего пакетного шлюза UPF в процессе перемещения, а также возможность одновременного использования нескольких шлюзов UPF и раздельной маршрутизации трафика.

Этапы строительства сетей 5G

Сети 5G первое время будут активно взаимодействовать с существующими сотовыми сетями четвертого поколения (4G) стандарта LTE. Это будет возможным благодаря режимам двойного подключения EN-DC (E-UTRA New Radio Dual Connectivity) и NGEN-DC (NG-RAN E-UTRA new Radio Dual Connectivity), обеспечивающим одновременную работу абонентского устройства (UE, userequipment) с сетями 4G и 5G.

Разница между двумя указанными режимами состоит в том, что EN-DC использует опорную сеть LTE, а NGEN-DC — 5G. Базовые станции в сетях LTE принято называть eNB, в сетях 5G они будут называть gNB.

При использовании режима двойного подключения EN-DCулучшенные базовые станции LTE, способные работать с сетями 5G, будут называться ng-eNB. А при использовании режима NGEN-DC базовые станции 5G, подключенные к опорной сети LTE, будут называть en-gNB.

Строительство сетей 5G предлагается реализовать в три этапа. Начать следует со строительства улучшенных базовых станций LTE — en-gNB— и подключения их к существующей опорной сети EPC (Evolved Packet Core, усовершенствованная опорная пакетная сеть). Затем планируется реализовать режим двойного подключения EN-DCдля мультистандартных абонентских устройств. С этой целью будет осуществлено строительство опорной сети 5G Core.

Далее будет осуществлена модернизация существующих в LTE-сетях базовых станций eNB до ng-eNB, подключение модернизированных базовых станций ng-eNBк опорной сети 5GCore, переключение базовых станций gNB с опорной сети EPC на опорную сеть 5GC и реализация режима двойного подключения NGEN-DC для мультистандартных UE. Параллельно будет идти второй этап строительства базовых станций gNB.

На следующем шаге запланирована модернизация оставшейся части существующих базовых станций eNB до ng-eNB, переключение всех базовых станций с опорной сети EPCна опорную сеть 5GCore, демонтаж опорной сети EPC. Параллельно будет происходить третий этап строительства базовых станций gNB.

Заключительный шаг, предусматривающий демонтаж опорной сети EPC, следует выполнять, когда все абонентские терминалы LTE будут поддерживать NAS (Non-access stratum, функциональный уровень в сетях LTE между опорной сетью и абонентскими устройствами), сигнализацию с опорной сетью 5GC и голосовую связь посредством подсистемы IMS (мультимедийная система на базе протокола IP).

Под поддержкой IMS подразумевается наличие IMS/SIP/SDP, клиентское ПО, поддержка необходимых сетевых процедур управления потоками данных и сигнализацией согласно QoSFlow, обеспечение обнаружения на сети элементов подсистемы IMS(например, P-CSCF) и поддержка вызова экстренных оперативных служб посредством VoNR.



Событие месяца

CNews FORUM 2019 прошел с рекордным успехом

- Более 1,5 тысяч гостей     - 100 экспертных докладов   - 50 инновационных стендов

Точки роста

По определенным ИТ-направлениям Россия является примером для всего мира

Юрий Гаврилов

CDTO Металлоинвеста