systémů Systémy mobilní komunikace páté generace 5G From electrons via waves to clouds
Doc. Ing. Václav Žalud, CSc. Katedra radioelektroniky FEL, ČVUT v Praze
© Doc. Ing. Václav Žalud, CSc
PProlog: časový vývoj mobilní komunikace
5G (2020) NX (5GNOW...)
2020 předcelulární éra
pouze řeč (analog. systém)
řeč (data)
řeč + SMS (paket. data)
řeč, data, video
řeč; multimedia; rychlá data (HSI): 10 Gb/s řeč, multimedia rychlá data: 1 Gb/s; Dt: 10 ms
5G: all – IP environment
0,5 až 6 GHz 6 až 100 GHz 2010
2020
2030
komunikace M2M (IoT; WSN..): Dt ≤1 ms
Huawei and NTT conduct 5G radio access field trials (Info: October 2015) Chinese networking hardware and services supplier Huawei and Japan’s largest mobile services provider, NTT Docomo, have successfully conducted an outdoor field trial of 5G radio access technology in Chengdu, China. During the trial, the partners used multi-user multiple input multiple output (MU-MIMO) technology, with a concurrent connectivity of 24 devices in the macro-cell environment on the sub-6GHz frequency band. The cell average downlink throughput of MU-MIMO is over 10 times as fast as single-layer single-user MIMO technology. It also validated the performance of two 5G new air interface technologies: Sparse code multiple access (SCMA) – previously demonstrated in controlled conditions at the University of Surrey´s 5G Centre in Guildford; and filtered orthogonal frequency-division multiplex (F-OFDM). As part of the trial, Huawei also live-streamed video of the activity to its booth at the Combined Exhibition of Advanced Technologies (Ceatec) Japan 2015 trade show in Chiba, Japan, where it showed off a 5G SU-MIMO prototype operating on 200MHz bandwidth of sub-6GHz spectrum with a peak rate reaching 10Gbps. MU-MIMO, F-OFDM and SCMA are expected to be very important to enabling the higherspectrum efficiency that will be needed to enhance mobile broadband, and enabling machine-to-machine (M2M) and mission-critical communications across 5G networks when they are finally deployed between five and 10 years from now.
Huawei said the trial was a key step towards accelerating the standardisation and commercialisation of 5G mobile networks.
Frekvenční management současné čtvrté a budoucí páté generace Kompletní rádiový přístup 5G ~ 2020 těsná kooperace
Evoluce LTE postupná
doposud využívané spektrum pro 2G/3G/4G: pouze pod 6 GHz
1 GHz
3 GHz
10 GHz
30 GHz 100 GHz
Nová síť „NX“
migrace
nové spektrum pro 5G: nejprve nad 6 GHz později i pod 6 GHz (pod 1 GHz)
1 GHz
3 GHz
10 GHz
30 GHz 100 GHz
● Rádiový přístup v systému 5G bude realizován jednak pomoci neustále se zdokonalující sítě LTE v konvenčních pásmech do cca 6 GHz, jednak zcela novou sítí „NX“, využívající spíše vyšší pásma, včetně milimetrové oblasti (f = 30 až 300 GHz, tj. l = 1 cm až 1 mm). ● Pásma do 6 GHz budou oproti nynějšímu stavu významně obohacena o další značně široké úseky; aktuální je zejména pásmo v okolí 700 MHz, které se uvolní v důsledku digitalizace tv vysílání. V těchto pásmech budou nabízeny především dosavadní personální služby H2H (Human to Human) tj. přenos hovoru, videa, tv programů a multimédií a rychlých dat. ● Nový přístup NX se zaměří na nové segmenty spektra, které systém LTE zatím nevyužíval. Velký důraz však bude kladen hlavně na perspektivní milimetrová pásma, a to nejprve zhruba do 100 GHz a později až do 300 GHz. V nich se bude provozovat nejen konvenční mobilní komunikace (content communication), ale i celá řada nových aplikací, zejména ze sféry masívní komunikace M2M (control communication, steering).
Frekvenční management současné čtvrté a budoucí páté generace Kompletní rádiový přístup 5G ~ 2020 těsná kooperace
Evoluce LTE postupná
doposud využívané spektrum pro 2G/3G/4G: pouze pod 6 GHz
1 GHz
3 GHz
10 GHz
30 GHz 100 GHz
Nová síť „NX“
migrace
nové spektrum pro 5G: nejprve nad 6 GHz později i pod 6 GHz (pod 1 GHz)
1 GHz
3 GHz
10 GHz
30 GHz 100 GHz
● Rádiový přístup v systému 5G bude realizován jednak pomoci neustále se zdokonalující sítě LTE v konvenčních pásmech do cca 6 GHz, jednak zcela novou sítí „NX“, využívající spíše vyšší pásma, včetně milimetrové oblasti (f = 30 až 300 GHz, tj. l = 1 cm až 1 mm). ● Pásma do 6 GHz budou oproti nynějšímu stavu významně obohacena o další značně široké úseky; aktuální je zejména pásmo v okolí 700 MHz, které se uvolní v důsledku digitalizace tv vysílání. V těchto pásmech budou nabízeny především dosavadní personální služby H2H (Human to Human) tj. přenos hovoru, videa, tv programů a multimédií a rychlých dat. ● Nový přístup NX se zaměří na nové segmenty spektra, které systém LTE zatím nevyužíval. Velký důraz však bude kladen hlavně na perspektivní milimetrová pásma, a to nejprve zhruba do 100 GHz a později až do 300 GHz. V nich se bude provozovat nejen konvenční mobilní komunikace (content communication), ale i celá řada nových aplikací, zejména ze sféry masívní komunikace M2M (control communication, steering).
James Clerk Maxwell a jeho následovníci
Heinrich Hertz
Alexander S. Popov
Nikola Tesla
Guglielmo Marconi
G. Marconi a průkopníci rozhlasového audio vysílání Ernst Alexanderson a Reginald Aubrey Fessenden
vv 1894 A simple spark gap Marconi transmitter
A Marconi receiver (electrolyt. detector)
1901
Guglielmo Marconi (1874 - 1937)
Dvojstupňový jiskrový vysílač, kterým G. Marconi překlenul Atlantik (z Cornwallu na New Founland); výkon budícího alternátoru: 35 kW, jiskřiště: 45 mm
24. 12. 1906 (Fessenden himself play the song O Holy Night on the violin)
E. W. Alexanderson
R. A. Fessenden
E. Alexanderson: realizoval alternátor pro generování sinusové nosné vlny (f =100 kHz, P ≈ 100 kW), pro vysílání telegrafie.
Fessendenův rozhlasový vysílač AM pro dlouhé vlny, s altenátorem (50 kW, 100 kHz) jako generátorem nosné vlny; funkci modulátoru plnil magnetický zesilovač.
Buňkové (celulární) sítě pro pozemní mobilní komunikaci předcelulární éra (Detroit 1921) neomezená plocha: 2 000 kanálů
celulární éra (Bell System Lab. 1946) neomezená plocha: 80 kanálů jeden svazek: sedm zá kladnových stanic po 12 kanálech = 84 kanálů
nebezpečná ,interferenční zóna poloměr 5R = 150 km, obsahuje celkem 25 x 80 = 2 000 kanálů
kanály 81-160
kanály 1- 80
dva svazky se stejnými kanály
Detroit: poloměr r = 30 km 80 kanálů; mod. AM; 2...3 MHz RF: Reuse Factor = počet buněk v jediném svazku
k pokrytí Detroitu (r =30 km) bylo tehdy zapotřebí 80 kanálů, jež se nesmí opakovat v celé interferenční zóně IZ (R = 5r); k pokrytí této zóny - a tedy libovolně velkého území, je pak celkově nutných (52=25)x80 = 2 000 kanálů, což je neúnosně mnoho. Příčinou tohoto stavu je příliš velká „buňka“ (Detroit)
k pokrytí téže lokality (r =30 km) při stejném počtu 80 kanálů, je u buňkové koncepce třeba jeden svazek v němž je 7 buněk po cca 12 různých kanálech; ty se ale mohou opakovat již v sousedním svazku, jenž leží mimo zónu IZ. Tedy 80 kanálů vystačí k pokrytí libovolného území
Digitální modulace 1
0
1
1
0
1
0
a) PCM t b) 2ASK
c) 2FSK
d) BPSK (32PSK)
BPSK: 1 bit/s/Hz
QPSK: 2 bity/s/Hz
t
t
t
16-QAM: 4 bity/s/Hz 64-QAM: 6 bitů/s/Hz
S rostoucím počtem modulačních stavů se zvětšuje spektrální účinnost hs = fb/BRF, takže při neproměnném pásmu BRF se zvětšuje dosažitelná přenosová rychlost fb. Současně se však také zvětšuje potřebný poměr Eb/N0, = S.BRF/fb.N, takže pro zachování stanovené chybovosti BER se musí zvyšovat energie Eb připadající na jeden datový bit, čímž se snižuje energetická účinnost he= N0/Eb; to lze realizovat zvyšováním výkonu vysílače S, resp. zisku antén, resp. snižováním šumového čísla přijímače apod. Rozpor mezi spektrální a energetickou účinností řeší kódované modulace, které umožňují při zavedení kódování FEC zvýšit řád modulace, aniž by se musela zvětšovat šířka pásma. Kódované modulace realizují modulaci a kódování FEC v jediném procesu.
Ortogonální frekvenční multiplex OFDM Základní koncepce systémů OFDM s bankou konvenčních modulátorů a demodulátorů demodulátory DSB
modulátory DSB fb/ n; nTb
TCP TU
a) cos c1t data vstup fb; Tb = 1/fb
SPC
cos c1t
cos c1t
rádiový kanál td << nTb
OFDM
OFDM
Df = 1/TU
TOFDM
cos c1t
PSC
ochranné intervaly GI
data výstup fb; Tb
přeložená pásma subnosných vln
f signál OFDM, připomínající šum
cos cnt
IFFT
t
cos c1t
LTE: Df = 15 kHz; TU = 66,67 ms DVB-T: Df = 1116 Hz; Ts = 896 ms (mód 8k; šířka pásma 8 MHz)
U OFDM se vstupní rychlý datový tok (s krátkou periodou Tb) rozdělí do většího počtu n paralelních složek, s podstatně delší bitovou periodou nTb; tyto složky se potom modulují na subnosné vlny s různými frekvencemi. Je-li prodloužená perioda nTb mnohem delší než rozptyl zpoždění použitého rádiového kanálu, výrazně se omezí intersymbolové interference ISI, vznikající v kanálu mezi prodlouženými symboly. Díky ortogonalitě subnosných se značně zvětší i spektrální účinnost OFDM vůči FDM. Subnosné vlny s dlouhou symbolovou periodou jsou postihovány jen plochým únikem, což zjednodušuje jejich ekvalizaci. Slabinou multiplexu OFDM je velký poměr špičkového ku střednímu výkonu PAPR (peak to average power ratio) ve vysílaném signálu. K jeho zpracování je pak nutný výkonově předimenzovaný- a tedy energeticky neefektivní koncový zesilovač vysílače, Moderní realizace systémů OFDM s monolitickými procesory IFFT/FFT SPC
b)
IFFT
PSC
ADC
DAC
SPC
FFT
PSC
t
Banku elementárních modulátorů s lokálními oscilátory ve vysílači OFDM lze nahradit jediným monolitickým procesorem pro inverzní rychlou Fourierovu transformaci IFFT a banku demodulátorů procesorem FFT.
Vývoj evropských buňkových standardů (1980 ...) GSM (2G: 1990) UMTS/HSPA (3G: 2000) LTE/WiMAX (4G: 2010)
2G: TDMA
4G: OFDM
3G: W-CDMA
Time Division Multiple Access
GSM: Global System for Mobile Communicatios HSCSD: High Speed Circuit Switched Data GPRS: General Packet Radio Service; EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution; E-HSCSD: Enhanced HSCSD; E-GPRS: Enhanced GPRS; E-EDGE: Evolved EDGE; UMTS: Universal Mobile Telecommunications System; HSPA: High Speed Packet Access (HSDPA&HSUPA) LTE: Long Term Evolution; SAE: System Archit. Evol. LTE-A: Long Term Evolution-Advanced
Orthogonally Freq. Division Multiplex
Wideband Code Divis. Multiple Access
přepojování okruhů (CS)
144 kbit/s
změny softwaru i hardwaru (nové kódování: 48 kbit/s/slot) E-HSCSD 5 pouze změny softwaru (spojení 4 čas. slotů) HSCSD nová síť (RAN i CN) 5 4 + nové mobilní stanice + nové mobilní stanice 4; 5; 6
57,6 kbit/s = 4x14,4 kbit/s
EDGE
6
GSM
1G
DL: OFDMA UL:SC-FDMA
UMTS 1; 6
9,6 kbit/s 14,4 kbit/s
HSPA 1; 2; 3
GPRS
nová síť (RAN i CN) + nové mobilní stanice
změny softwaru i hardwaru 2; 3 + nové mobilní stanice 115,2 kbit/s (28,8-57,6 kbit/s) nové kódování: přepojování 48 kbit/s/slot
paketů (PS)
1990
2
DL: 14,4 Mbit/s UL: 5,76 Mbit/s BRF = 5 MHz
E-GPRS
LTE/SAE WiMAX 2.0/2.1 IEEE 802.16m WiFi „gigabit“ IEEE 802.11a,c
E-EDGE 3
384 kbit/s DL: 1894,4 kbit/s; UL: 947,2 kbit/s (64QAM, MSRD, MCDL, MS typ 2
1995
LTE-A SAE
2000
rok
2005
MB-OFDM DAB, DRM, DVB-T; DXSL, PLC
Generační vývoj systémů veřejné pozemní komunikace 2G (1990) TDMA GSM, IS 54...
1G (1980) FDMA NMT, AMPS...
generace: přístup: standardy: 1980
2000
1990
předcelulární řeč, pouze řeč (data) analog. systém generace
5G (2020) zatím neurčen
4G (2010) OFDM LTE
3G (2000) CDMA HSPA... 2010
řeč + SMS data+ video + řeč (paket. data)
2020 rychlá data, hovor, data, multimedia: 10 Gb/s) multimédia komunikace M2M (IoT, RC..): 1 ms technika přenosu W-CDMA
signál W-CDMA rozprostření spektra ve vysílači
zúžení spektra v přijímači
rozprostřený BB signál
bit +1
vstupní data
-1
rozprostřený signál (data x kód)
+1
rozprostírac í kód
+1
výstupní data
+1
-1
čip +1 rozprostírací kód
-1 +1
rozprostřený signál (data x kód)
-1
-1 -1
signál GSM vývoj GSM (GMSK/CS) → GPRS (CS a PS) → EDGE (GMSK a 8PSK); přístup TDMA/FDMA: 8 časových slotů v 2G rámci TDMA (4,615 ms); ochrana přenosu: kódování FEC/ ekvalizace/časové prokládání; GSM využívá pouze frekvenční duplex FDD (Df = 45 MHz); šířka pásma na 1 rádiový kanál = 200 kHz; další vývoj E EDGE (..32QAM ?)
frekvence
spojitý hovor
1 kanál = 200 kHz modulace GMSK fb tot = 270,8 kbit/s
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7 0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7 0
8 x 0,577 = 4,615 ms rámec TDMA
slot = 0,577 ms
BPSK
fb kód PN
nosná cost
rádiový kanál BRF = 5 MHz
fb >> fc
BPSK
data výstup
fb nosná cost
kód PN fb >> fc
signál LTE vývoj Rel. 8...12...; přístup OFDM, kde alokované pásmo obsahuje síť ortogonálních subnosných vln (Df = 15 kHz) ve frekvenční oblastí a 4G tomu odpovídající sekvenci OFDM symbolů (Tu= 1/15.103 = 66,66 ms) v časové oblasti; šíře pásma 1,4; 3; 5; 10; 15; 20 MHz, možnost agregace až 5x20=100 MHz; rozvinutá technika MIMO; ortogonální kanály OFDM
7 0 7
3G
mod 2
data mod 2 vstup
kanály FDM
f
čas t [ms]
frekvence
Vynález pulsní kódové modulace v roce 1937 Alec Reeves (1902 – 1971) Alec Reeves was one the 20th Century's greatest, but least conventional, scientists. A brilliant engineer, his work made the 'digital age' possible. A pacifist, he altered the course - and perhaps the outcome - of World War II. Open-minded, he experimented with the paranormal and believed he was in regular contact with the 19th century inventor of electrical generation, Michael Faraday. Pulse Code Modulation Reeves recognised the potential that pulse code modulation had for reducing noise when speech is transmitted over long distances. With an analogue signal, every time the signal is amplified, the noise contained in the signal is also amplified and new, additional noise is added. With pulse code modulation, all that is required is to regenerate the pulses, hence the noise content of the signal is not increased. Reeves patented the invention in 1938. Unfortunately his idea required quite complex circuitry (by 1930s standards), that was not cost-effective, using valves. Pulse code modulation was not used commercially until the 1950s, when the invention of the transistor made it viable, although it was used by Bell Telephone Laboratories during the Second World War for secure communications links, such as the one between Roosevelt and Churchil.
Počátky techniky rozprostřeného spektra: Hedy Lamarr systém s frekvenčním skákáním FH – SS (1942)
RNDr. J. Forejt již v roce 1936 užíval jako amatér vysílač při kv spojení se svým partnerem - ve snaze vyhnout se úmyslnému rušení - pseudonáhodných změn pracovní frekvence, dle předem dohodnutého klíče. Tato technika je ale v podstatě shodná s technikou rozprostřeného spektra s frekvenč. skákáním
Hedy Lamarr's life story is far more interesting than any of her movies. She quit school at the age of 16, and got a job working for director Max Reinhardt. Starting as a production assistant, Hedy eventually appeared in a couple of films in bit parts before making the headlines starring in the Czech film, Ecstasy (Machatý 1932). In it, she appeared nude on screen, and this shocked even European audiences.
Vertikální architektura systémů 2G/3G a plochá architektura systémů 4G ... RAN: Radio Access Network (rádiová přístup. síť) CN: Core Network (jádro sítě)
CN
RAN
UTRAN
: 2G
: 3G
: 4G
Obecné Shannonovo schéma digitálního radiokomunikačního systému teorém kanálové kapacity (Shannon 1948) Pt; Gt
Analogový kanál SISO rádiovýrádiový kanál SISO (jediný vstup-jediný výstup)
ideální rádiový kanál Q(f)
A(f)
Pr; Gr
AWGN
šum AWGN
B
nosná vlna
modulátor modulátor
demodulátor demodulátor
ochrana přenosu (FEC) datová komprese dekomprese A/D D/A
kodér kodérkanálu kanálu kodér kodérzdroje zdroje
přeměna typu signálu
zdroj zdrojsignálu signálu
SNR= konst. fbit = konst.
dekodér dekodérkanálu kanálu dekodér dekodérzdroje zdroje koncový koncovýstupeň stupeň
Shannonův limit Eb/N0 = -1,6 dB Maximální dosažitelná kapacita C0 rádiového kanálu SISO, při působení šumu AWGN (Shannonův vztah): Pokud se použije ve vysílači jediná vysílací anténa a v přijímači NR jediná přijímací anténa (SISO), vytvoří se mezi nimi jediný rádiový kanál. Je–li přenos tohoto kanálu nezávislý na frekvenci, potom při šířce pásma B a působení bílého aditivního gaussovského šumu AWGN je jeho maximální přenosová kapacita dána Shannonovým vztahem
S C0 Β log2 1 Β log2 N
fb Eb 1 , B N0
nebo
S C0 3,32 Β log 1 N0
[bit/s]
C0: maximální dosažitelná přenosová kapacita kanálu; B: šířka rádiového pásma; S: výkon užitečného signálu; N: výkon šumu; N0: spektrální výkonová šumová hustota; Eb: energie signálu na 1 bit; Eb /N0: normovaný poměr signál / šum; hP = N0/Eb: výkonová účinnost přenosu; fb: bitová rychlost signálu; hs= fb/B - spektrální účinnost přenosu
Radiokomunikační rovnice (Friisův vztah) , vyjadřuje přijímaný výkon Pr jako funkci vysílacího výkonu Pt, dále zisků Gt a Gr vysílací a přijímací antény, jejich vzdálenosti d a délky vlny l, resp frekvence f:
l Pr PtGtGr 4d
2
c PtGtGr 4df
2
c = 3.108 m/s
f
Shannonova kapacita C/B ideálního kanálu AWGN a vliv úniku Ideální kanál bez úniku (SNR = konst): C/B = log2 (1 + SNR) = log2 (1 + ) ....(SNR = ) reálný kanál s únikem („memoryless 1x1 SISO“): C/B = log2 (1 + |h|2) h: normovaný komplexní zisk fixního kanálu, nebo partikulární realizace náhodného kanálu s únikem; v pozemních kanálech se zisk h řídí nejčastěji Rayleighovou, nebo Riceho distribucí. Na základě této skutečnosti je potom možné stanovit pro určitou hodnotu tzv. ergodickou („zprůměrovanou“) kapacitu Cerg uvažovaného kanálu s takto specifikovaným únikem 10 8
a) kapacita C/B [bit/s/Hz]
7
b)
SNR [dB]
-20
-10
0
10
20
30
C/B [bit/s/Hz]
0,01
0,18
1,00
3,46
6,66
9,97
6
C/B = log2 (1 + SNR)
5
pro SNR >> 1 je C/B ≈ log2 SNR
4 3 2
kapacita C/B [bit/s/Hz]
9
8 7
1 0
5
10
15 20
SIMO 1x4
5 4 3 2
pro SNR << 1 je C/B ≈ SNR
Shannon AWGN
6
SIMO 1x2
Rayleighův únik
1 25 30
35 40 45 SNR
50
55
c) 0-20
-10
0
10 SNR [dB]
20
30
a) Hodnoty Shannonovi kapacity C/B ideálního kanálu AWGN pro několik hodnot poměru signálu k šumu SNR; b) závislost kapacity C/B na poměru SNR, pro ideální Shannonův kanál s šumem AWGN v lineárním zobrazení; c) stejná závislost jako v obr. b, avšak v semilogaritmickém zobrazení; pro porovnání zde jsou uvedeny také závislosti kapacity C/B při Rayleighovu úniku, a to jednak pro případ využití informace o stavu kanálu CSI při dekódování v příjímači, jednak pro případ bez využití této informace (bez CSI dochází k radikálnímu snížení kapacity)
Mnohocestné šíření rádiových vln Frekvenčně selektivní a ploché úniky
vyslaný radioimpulz o šířce Ts
okamžitý výkonový profil zpoždění IPDP (instantaneous power delay profile) a spektrální hustota PDF (power delay function)
výkonový profil zpoždění IPDP
s(t)
přijímané radioimpulzy r(t) (impusní odezva) 1 2
3
mezní citlivost přijímače
Tm
t
FT
t
výkon. spektrální hustota PDF
Profil IPDP pro případ, kdy Ts << Tm: frekvenčně selektivní únik (
ISI)
Bc
Bs
f
THE PUBLIC HOUSE
NLOS
NLOS
1 2 3
Tm
mezní citlivost přijímače
t
FT
výkon. spektrální hustota PDF
LOS
výkonový profil zpoždění IPDP
Profil IPDP pro případ, kdy Ts >> Tm: plochý únik ( snížení SNR) Bc
Bs
LOS = Line of Sight; NLOS = Non LOS
Ts (symbol time) = symbolová perioda; Bs (signal bandwidth) = šířka pásma signálu (Bs ~ 1/Ts ); S() (multipath intenzity profile) = mnohocestný profil zpoždění; Tm (maximum excess delay) = maximální nadměrné zpoždění; = rms nadměrné zpoždění; Bc (coherence bandwidth) = koherentní (korelační) šířka pásma (Bc ~ 1/); Tc = (channel coherence time) = doba koherence kanálu; BD~1/Tc = dopplerovský rozptyl frekvence
f
Šíření rádiových vln v pozemských kanálech s úniky ztráty šířením ve volném prostředí (Friisův vzorec) ztráty šířením, zastínění a mnohocestné šíření (path loss & shadowing & multipath] ztráty šířením a zastínění (path loss & shadowing) samotné ztráty šířením (path loss)
Friisův vzorec při ziscích antén Gt a Gr: Friisův vzorec při ziscích antén Gt=Gr= 1:
Pr/Pt [dB]
výsledný průběh: ztráty šířením PL & ztráty zastíněním & ztráty mnohocestným šířením (multipath loss)
typické hodnoty exponentu ztrát šířením ( 2 ...8)
ztráty šířením PL (path loss): exp.
~l/2
ztráty šířením & zastíněním (path loss & shadowing)
l Pr PtGtGr 4d Pr l 2 Pt 4d
volné prostředí: =2 pozemní kanál = 2...7
Prostředí městské makrobuňky městské mikrobuňky úřady (stejné patro) úřady (různá patra) obchodní domy průmyslové podniky byty otevřená krajina s LOS
rozsah 3,7 …6,5 2,7 …3,5 1,6 …3,5 2,0 …6,0 1,8 …2,2 1,6 …3,3 2,5 …3,5 2,0 …2,5
log d (vzdálenost Tx - Rx) Různé typy ztrát v pozemském rádiovém kanálu • ztráty šířením PL jsou základní složkou ve volném prostoru ( = 2), i v pozem. kanálech ( = 2...7) • ztráty zastíněním vznikají vlivem překážek mezi Ty a Rx (zemský povrch, terénní vlny, domy...); tyto dva efekty spolu vytvářejí ztráty trasy ve velkém měřítku (large scale path loss) • ztráty v malém měřítku resp. mnohocestný únik (small scale fading resp. multipath fading) vznikají vlivem mnohocestného šíření vln; při vzájemném pohybu vysílače a přijímače resp. objektů zúčastněných na šíření, se uplatňují navíc ještě fluktuace frekvence přijímaného signálu vlivem Dopplerova efektu, který vyvolává změny frekvence i časové změny amplitudy přijímaného signálu.
2
Rádiový kanál s frekvenčním amplitudovým a fázovým zkreslením jeho ekvalizace a teorém zaplnění vodou WFT Rádiový kanál se šířkou pásma B, s nelineární amplitudovou a fázovou frekvenční charakteristikou a s barevným šumem a jeho aproximace uvnitř subpásma Df v okolí frekvence fk konstantními úseky Shannonův teorém pro lineární rádiový kanál o šířce pásma B, s konstantním přenosem a bílým šumem:
přenosová funkce kanálu H (f)
B barevný šum N(f)
Q (f0)
amplituda A(f)
komplexní přenosová funkce kanálu o šířce B: H (f) = A (f) exp [j (f)]
A(f0)
PT P(f ) df
fáze
Df
B
fk resp. f
„Ekvalizace“: základem ekvalizéru v přijímači je “inverzní frekvenční filtr”, jež kompenzuje amplitudové a fázové zkreslení kanálu, vznikající např. mnohocestným šířením; v mobilní komunikaci je ekvalizér adaptivní, neboť kanál se neustále mění
data TS data 58 26 58
mohocestný kanál
přijímač&ekvalizér
Hc(f)
Heq(f)
Hc(f) . Heq(f) = konst → Heq(f) Hc(f)-1 frekv. selektivní kanál, modelovaný zpožďovací linkou s odbočkami 1/B
1/B
a0
a1
PT: celkový výkon vkládaný do kanálu N: celkový šum na výstupu kanálu A0: napěťový přenos kanálu
frekvence f
P(f): spektrální hustota výkonu N(f): celkový šum na výstupu kanálu A(f): napěťový přenos kanálu
„Water Filling Theorem“: optimální frekvenční rozložení vysílacího výkonu PT v nelineárním kanálu s přenosem IH(f)I2 a barevným šumem N(f), vedoucí k maximu bitové rychlosti R. Frekvenční úseky s větším přenosem (menším útlumem) IH(f)I2 a s menším šumem N(f) mají přiděleny větší výkony a naopak; preferované úseky totiž lépe zužitkují do nich vkládané dílčí výkony N(f)/IH)f)I22 N(f)/IH(f)I
nelineární kanálpásma B rádiový kanál o šířce
H(f): komplexní přenosová funkce N(f): spektr. šum výkonová hustota H(f) = A(f).exp (jQt)
malý šum a útlum kanálu: velký vysílaný výkon velká bitová rychlost
velký šum a útlum kanálu: malý vysílaný výkon malá bitová rychlost
1/B
obálka úniku
obálka úniku
obálka úniku
P (f ) A(f ) df C log2 1 N (f ) 0
0
vysílač
Shannonův teorém pro nelineární rádiový kanál o šířce pásma B, s proměnným přenosem a barevným šumem:
B
Q (f)
P A2 C B log 2 1 T 0 N
P0 (f)
obálka úniku a2
an-1
šum AWGN
nulový vysílaný výkon → nulová bit. rychlost frekvence f
L: „výška vodní hladiny“, určená omezením vysílacího výkonu na určité maximum PT
Adaptivní řízení vysílacího výkonu PC CL v závislosti na čase založené na inverzi kanálu
dB
V systému řízení vysílacího výkonu PT s uzavřenou smyčkou PC CL (Power Control Closed Loop) na trase DL přijímač měří poměr SINR vstupního signálu a zpětným kanálem dává vysílači povely k úpravě výkonu PT. U standardu HSPA probíhá PC CL po stupních např. 1 resp. 2 resp. 3 dB. Frekvence řízení je zde 1 500 Hz, což umožňuje systému reagovat, u uživatelského terminálu pohybujícího se rychlostí až 100 km/s, i na rychlé změny úniku. 20 15 10 5 0 -5 -10 -15
vysílaný výkon
útlum kanálu
dB
0
0,1
0,2
20 15 10 5 0 -5 -10 -15
0,3
0,4
0,5 0,6 t [sekundy]
0,7
0,8
0,9
1,0
0,5 0,6 t [sekundy]
0,7
0,8
0,9
1,0
přijímaný výkon
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Hardwarové, softwarové a kognitivní rádio Komunikační přijímač TESLA n. p. LAMBDA (1959...1970)
.
Ideální Mitolovo softwarové rádio; jedinými analogovými prvky jsou antény, zpracování signálu probíhá v softwarové doméně vysílač data vstup
přijímač
digitální zpracování signálu
A
A
D
D
digitální zpracování signálu
data výstup
SDR s vysokou první a nulovou druhou mezifrekvencí, získávanou v kvadraturním směšovači: kvadraturní koncepce snižuje nároky na přesnost a stabilitu místního oscilátoru, dále umožňuje oddělení obou pásem nosné vlny a snižuje nároky na výkon a spotřebu převodníků ADC a DAC směšovač 2 (kvadraturní) f IF2 = 0 I
směšovač 1 RF LO fIF1
IF1 0
Kognitivní rádio, označované také jako adaptivní, nebo chytré softwarové rádio, nepřetržitě pozoruje a hodnotí rádiové prostředí v němž se nachází. Na základě toho potom samostatně provádí inteligentní zpracování signálů, tak aby co nejlépe sloužilo potřebám svých uživatelů. Ze získaných poznatků se učí, čímž stále zdokonaluje svou činnost. Funkci kognitivního rádia zobrazuje diagram kognitivního cyklu: Analyzing the Performance of a Joseph Mitola Network ofIIICognitive Radios
ADC
LO DSP 900 fLO = fIF1 Q
ADC
f IF2 = 0
J. Mitola III: Software Radios-Survey, Critical Evaluation ... IEEE AES Systems Mag., April 1993. J. Mitola III: Cognitive Radio. Doctoral Dissertation, KTH Stockholm, June 2000 (inspirace v JTCS – USA)
Zapojení komunikačního přijímače TESLA n.p. „Lambda“
Rozvoj systémů mobilní komunikace čtvrté generace a nástup systémů páté generace (4G/5G)
Časový vývoj veřejných pozemních mobilních komunikačních systémů 4G/5G Hlavní rysy rádiokomunikačních systémů 5G v porovnání se systémy 4G Mezinárodní projekty zaměřené na problematiku systémů 5G
Penetrace systému 2G/3G/4G v letech 2014 až 2019 Africa Latin America 1% 1.5%
Eastern Europe 1,5% Middle East 1%
9
Global mobile traffic (monthly ExaBytes) Data: mobile PCs, tablets and mobile routers Data: mobile phones
8 7
Mobile data traffic increase: 2013 and 2019 North America 7x Latin America 9x Western Europe 8x Central Europe, Middle East, Africa 11x Asia, Pacific 12x
6 5 4 3 2 1 2013 2019
Pa As ci i a fic
en t a n ra l d Eu M ro EA
2013 2019
C
2013 2019
W e Eu ste ro rn pe
2013 2019
Am Lat er in ic a
Am Nor er th ic a
2013 2019
Ovum WCIS June 2014
By the end of last year, LTE penetration had already reached over 30 percent in Japan and over 50 percent in South Korea - the highest in the all world. By 2019, number of LTE subscriptions will be 2.6 billion. By that time population coverage in Europe will only see an LTE subscription penetration of 30 percent compared to 85 percent in North America. One of the main reasons for the difference is the availability of faster 3G networks across Europe, which offers speeds that simply are and will continue to be good enough for many users.
Etapy vývoje buňkových sítí současné čtvrté a budoucí páté generace výzkum 5G, prototypy, ověřování
mobilní sítě
f1: specifikace; f2: vývoj; f3: experimenty
Rel 8
Rel 9
Rel 10
Rel 11
Rel 12
•flex. 6 pásem 1,4-20MHz • OFDMDL; SC-FDMAUL • plochá architektura • MIMO
• • • • •
certif. 4G, lepší pokrytí vyšší Rp vůči LTE: 10x agregace nosných CA MIMO až 8x8 koordin.: CoMP/eICIC
3GPP: Third Generation Partnership Project EC 5G PPP: Europen Comissiion 5G Public Private Partnership ITU: International Telecom. Union 2008
2009
2010
Rel 13
• • • • •
2012
3G PPP f2
2013
2014
3G PPP f3
Rel 14
Rel 15
Rel 16
Rel 14
Rel 15
Rel 16
• • • •
EC 5G PPP 5G v 3GPP 4G v 3GPP
podpora nových služeb zvýšení počtu spojení: 10x zvýšení kapacity: 1000x zvýšení energ. účinnosti: 800x vyhodnocení technologie
požadavky/metody
* WRC-18/19
2015
2016
ITU
zimní olympiáda J. Korea letní olymp. Čína
WRC-15
WRC-12
produkty rozvinutí
LTE-C
zvýšení C vs. LTE: 30x zvýšení Rp vs LTE: 10x LTE-Hi: 256-QAM ... formování svazků 3DBF technologie: Multi RAT
nové spektrum IMT, vize
2011
3G PPP f1
LTE-B
LTE-A
LTE
2005
5G PPP start
standard 5G
2017
2018
5G
2019
*
2020
2021 čas
Vývoj veřejné pozemní mobilní komunika (PLMN) koordinují tři hlavní hlavní mezinárodní instituce: • Od r. 1998 je to v oblasti přístupové sítě LTE/4G a nyní i sítě NX/5G Partnerský projekt pro třetí generaci 3GPP (Third Generation Partnership Project). Ten člení vývoj do Release (Vydání), resp. do vývojových etap LTE, LTE-A, LTE-B a LTE-C. • Druhým orgánem je evropské Společenství 5G PPP (5G Public Private Partnership), vzniklé až v r. 2013 a zaměřené už jen na síť NX/5G. V něm je aktuální vývoj rozvržen do tzv. fází (f 1, f 2, f3). • Celkový vývoj ve světě mobilních komunikací potom řídí Mezinárodní telekomunikační únie ITU-R • IMT (Internation. Mobile Telecommunications) je společný název pro systémy 3G (IMT-2000) a 4G (IMT-A); IMT-2000 definuje soustavu požadavků pro systémy 3G; podobně IMT-A definuje soustavu požadavků pro systémy 4G (např. špičkovou datovou rychlost 600 Mbit/s na DL a 270 Mbit/s na UL, v pásmu 40 MHz apod,)
Obecné směry vývoje soudobé rádiové komunikace Soudobá rádiová komunikace se rozvíjí ve čtyřech hlavních směrech: • Nepřetržité zvyšování jakosti dosavadních i nových nabízených aplikací
Přirozená touha všech uživatelů radiokomunikačních služeb nutí výrobce příslušných technologií k neustálému zlepšování kvalitativních parametrů rádiového přenosu, tj. zmenšování chybovosti resp. různých typů zkreslení, zvyšování dynamického rozsahu, zvyšování spolehlivosti apod.
• Rozšiřování sortimentu poskytovaných služeb
Zlepšující se technické parametry umožňují nejen zvyšování jakosti, ale i rozšiřování sortimentu nabízených aplikací resp. služeb; tak například systémy veřejné pozemní mobilní komunikace zpočátku umožňovaly jen telefonní hovor, k němuž se záhy přiřadil přenos krátkých textových SMS zpráv i multimediálních zpráv MMS atd.; velkým přínosem se stává strojová komunikace M2M
• Zvyšování spektrální účinnosti hs=Tnet/BRF [bit/Hz] rádiového přenosu
Trvalé zvyšování jakosti a rozšiřování sortimentu služeb a narůstající počet uživatelů mobilního provozu vede k neustále rostoucímu nedostatku volného frekvenčního spektra. Tomu lze čelit zvyšováním spektrální účinnosti rádiového přenosu hs tj. poměru propustnosti sítě Tnet (celkového počtu bitů procházejících sítí) k její rádiové šířce pásma BRF; účinnost hs zvyšují modulace vyšších řádů HOM, anténní struktury MIMO, kooperativní techniky CoMP aj. Propustnost sítě Tnet lze zvětšovat též rozšiřováním pásma, což ale nezvyšuje spektrální účinnost („brutto force“).
• Zvyšování energetické účinnosti he = Tnet/Eb [bit/J] rádiového přenosu
Celosvětová energetická krize si vynucuje provozovat rádiokomunikační zařízení s co nejnižší spotřebou energie; cestou k tomu je zvyšování energetické účinností he, určené jako poměr propustnosti sítě Tnet ku energii Eb připadající na 1 bit. Energetickou účinnost lze zvětšovat pomoci nových technologií, k nimž náleží např. RF výkonové zesilovače "Doherty“ a „Envelope tracking“, systémy s více anténami Tx nebo Rx pro prostorovou diverzitu (MISO/SIMO) resp. pro formování anténních svazků BF apod. Jinou cestou zvyšující he jsou úspornější komunikační protokoly (zjednodušená signalizace, podpora spícího režimu, ...).
Vývoj současných sítí 4. generace v rámci Rel 13: HSPA+ a LTE-A/B V prosinci r. 2014 bylo v rámci 3GPP finalizováno Rel 12. Na získané výsledky navazuje v současnosti Rel 13, které bude uzavřeno v březnu r. 2016. Pro síť LTE přináší následující inovace: Zdokonalení anténního procesingu: bude spočívat v rozvoji aktivních anténních systémů AAA, v elevačním formování svazků EBF a v plně dimenzionální technice MIMO (FD MIMO) Další rozvoj koordinačních technik (COMP): rozvoj koordinačních mechanizmů, jež snižují interference mezi zákl. stanicemi eNB (inter-eNB CoMP) a tím zlepšují pokrytí a propustnost sítě Veřejná bezpečnost: zlepšení přímé komunikace terminálů D2D a techniky PTT (push-to-talk)… Komunikace strojového typu (MTC/M2M): nástup nových MTC terminálů a technik (DECOR…) Licencovaný asistovaný přístup (LAA) a agregace nosných (CA): LAA umožní funkci LTE v bezlicenčních pásmech, agregace CA (LTE Wi-Fi Aggregation) ulehčí kooperaci sítí WiFi a LTE. Určování vnitřní polohy: nárust podílu vnitřní komunikace podněcuje techniku IL: indoor location Kontrola zahlcení a management: rostoucí provoz zvyšuje v mobilních sítích nebezpečí jejich zahlcení, jemuž lze čelit zavedením principů prioritizace resp. restrikce některých aplikací apod. Služby: v rámci Rel 13 se zdokonaluje služba eMBMS (TV přes mobil) a zavádí se řada nových služeb; významné jsou zejména obohacené hlasové služby (EVS) pro sítě UMTS s přepojováním okruhů (CS), využívající nový audio kodek, zajišťující při rychlosti 9,6 kbit/s „superširokopásmové audio“ a také kompatibilitu se sítěmi VoIP. V rámci Rel 13 se dále vylepšuje též síť HSPA+ (3G). Urychluje se v ní rozvoj komunikace MTC, podporují se techniky úspornější signalizace aj. Závěry V rámci Rel 13/3GPP se v současné době intenzívně zdokonaluje systém LTE-A/B, který je a bude vedoucí širokopásmovou mobilní technologií až do nástupu 5. generace mobilních sítí po roce 2020. Stále se ale vyvíjí i systém předchozí 3. generace UMTS/HSPA+, který v současné době kulminuje a stále prokazuje, že je pro podstatnou část světové populace stále atraktivní.
Nové úseky spektra v pásmech mobilní komunikace 4G (do 5 GHz) Jednou z cest vedoucích ke zvyšování datové rychlosti mobilních sítí je získání nových segmentů spektra, dosud přidělených jiným službám, které je však mohou bez větších problémů postrádat. Podle přípravných materiálů ke konferenci WRC´15 začne mobilní komunikace v rámci požadavků IMT nejspíše využívat – alespoň částečně - s blížícím se rokem 2020, následující čtyři nová pásma (new IMT-bands): • 700 MHz (694 až 790) (subpásmo UHF): je uvolňováno televizí v důsledku jejího přechodu na digitální vysílání; díky kvalitnímu celoplošnému pokrytí je pro mobilní komunikaci zvlášť užitečné. Podle názoru četných televizních odborníků by však mělo být pásmo 700 MHz pro televizi zachováno, neboť bude nutné při budoucím zdokonalování televizních standardů, od nichž se bude neustále vyžadovat zvyšování kvality televizního obrazu i zvuku. • 1 350 až 1 525 MHz (pásmo L): bylo dosud přidělené fixním spojům, rozhlasu DRM, vědecké instrumentaci apod., u nichž je ale málo využívané. • 2,7 až 2,9 GHz (pásmo S): dosud slouží hlavně radarovým systémům (pro řízení letového provozu apod), jež ho ale v důsledku technického pokroku mohou uvolnit. • 3,6 až 4,9 GHz (pásmo C) slouží hlavně družicovým službám, pro něž však bude technicky možný přesun do jiných frekvenčních oblastí. Uvedená pásma poskytnou mobilní komunikaci cca 600 až 800 MHz nového frekvenčního prostoru. To je hodnota srovnatelná s dosavadními pásmy systémů veřejné mobilní komunikace, což svědčí o velkém významu, který mobilní komunikaci mezinárodní standardizační orgány přisuzují.
Koexistence digitální televize (DVB-T) a mobilní komunikace v TV pásmech čtvrté a ke páté pásmo pro analogové televiznírychlosti vysílání Jednou z cest vedoucích zvyšování datové mobilních sítí je získání televizní pásmo IV televizní pásmo V nových segmentů spektra, přidělených službám, které je však mohou kanál 21. až dosud 34. kanál 35.jiným až 60. 470 790 ke konferenci WRC´15 bez větších problémů postrádat.582 Podle přípravných materiálů digitální televiznípravděpodobně vysílání a mobilní komunikace v TV pásmech začne mobilní komunikace využívat s blížícím se rokem 2020 mobilní po WRC 15 pro digitální televize komunikace mobil, služby IMT včetně využití digitální dividendy pro TV následující čtyři nová pásma: cca 72 MHz 470
582
694
f [MHz]
790
862
relativní výkon [dB]
výkonová hustota [dBm/30 kHz]
• 700 MHz (694 až 790) (subpásmo UHF): je uvolňováno televizí v důsledku jejího přechodu na digitální vysílání; díky kvalitnímu celoplošnému pokrytí je pro mobilní komunikaci využití zvlášť užitečné. pásma 694 až 790 Podle názoru četných televizních odborníků by však MHz pro účely mobilní komělo být pásmo 700 MHz munikace duplexem FDDpro televizi zachováno, neboť bude nutné při budoucím (Regiontelevizních 2: americký kont) standardů, od nichž se bude neustále vyžadovat zdokonalování zvyšování kvality televizního obrazu i zvuku. • 1 300 až 1 518 MHz (pásmo L): bylo dosud přidělené radiolokaci, blok PRB rozhlasu DRM a OFDM dalšímOFDM: službám, u nichž je ale málo využívané. LTE 4G silné 0 složky • 2,7 až 2,9 GHz (pásmo S): dosud slouží hlavně systémům pro řízení letového OOB provozu, jež ho však v důsledku technického pokroku mohou bez problémů uvolnit. -20 • 3,4 až 4,2 GHz (pásmo C) slouží hlavně družicovým službám, pro něžOFDM však bude WCDMA technicky výhodnější přesun HSPA do jiných frekvenčních oblastí. 3G -40
Uvedená pásma poskytnou mobilní komunikaci cca 600 až 800 MHz nového frekvenčního prostoru. To je hodnota srovnatelná s dosavadnímiUFMC pásmy systémů -60 frekvence [MHz] 20 40 80 100 120 60 veřejné mobilní komunikace, což svědčí o0 velkém významu, který mobilní Porovnání spektra formátu W CDMA (HSPA/3G) a formátu OFDM (LTE/4G); spektrum OFDM má silné postrannímezinárodní složky (out-off band radiation), které mohou rušit jiné služby komunikaci standardizační orgány přisuzují. čísla subnosných vln
Některé aplikace buňkových sítí budoucí páté generace Domotics is the new electronic technologies intended to assist in organising domestic life
H2H: Human applications (H2H): 1. Mobile telephony 2. Mobile multimedia (mobile TV...) 3. Mobile data (High speed Internet...)
M2M (MTC) applications: 1. Massive MTC: wireless sensor networks, … 2. Critical MTC: very short transmission time, …
The next generation of communication systems, as pursued in 5G, will be the first instance of a truly converged network environment where wired and wireless communications will use the same infrastructure, driving the future networked society. It will provide virtually ubiquitous, ultra-high bandwidth, "connectivity" not only to individual users but also to connected objects. Therefore, it is expected that the future 5G infrastructure will serve a wide range of applications and sectors including professional uses (assisted driving, eHealth, energy management, possibly safety applications, etc).
Internet věcí (IoT: Internet of Things) The Internet of Things (IoT) is the network of physical objects or "things" embeded with electronics, software, sensors, and network connectivity, which enables these objects to collect and exchange data. The Internet of Things allows objects to be sensed and controlled remotely across existing network infrastructure, creating opportunities for more direct integration between the physical world and computer-based systems, and resulting in improved efficiency, accuracy and economic benefit. Each thing is uniquely identifiable through its embedded computing system but is able to interoperate within the existing The term “Internet of Things” was coined by British entrepreneur Kevin Ashtonin 1999. Typically, IoT is expected to offer advanced connectivity of devices, systems, and services that goes beyond machine-to-machine communications (M2M) and covers a variety of protocols, domains, and applications. The interconnection of these embedded devices (including smart objects), is expected to usher in automation in nearly all fields, while also enabling advanced applications like a Smart Grid,] and expanding to the areas such as smart cities. "Things," in the IoT sense, can refer to a wide variety of devices such as heart monitoring implants, biochip transponders on farm animals, electric clams in coastal waters, automobiles with built-in sensors, or field operation devices that assist firefighters in search and rescue operations. These devices collect useful data with the help of various existing technologies and then autonomously flow the data between other devices.] Current market examples include smart thermostat systems and washer/dryers that use Wi-Fi for remote monitoring. Besides the plethora of new application areas for Internet connected automation to expand into, IoT is also expected to generate large amounts of data from diverse locations that is aggregated very quickly, thereby increasing the need to better index, store and process such data.
Pohotový Internet (Tactile Internet) Dané možnosti lidských smyslů vyžadují pohotový (tactile) Internet, s latencí menší než 1 milisekunda, kterou poskytují až systémy 5G
Systém 5G: obecné charakteristiky a nové technologie Hlavní rysy rádiových komunikačních systémů 5G ve srovnání se systémy 4G Charakteristické provozní vlastnosti: ● Výrazné zdokonalení dosavadních služeb: přenosu hlasu, videa a dat (DLmax ≈ 10 Gbit/s) ● Nová pervasivní 3D multimédia, televize HDTV/UHDV, řeč VoIP, služby e-Health, ● Nové služby s extrémně nízkou latencí (UP…≤ 1 ms) : Internet věcí IoT a Tactile Internet ● Nové služby s extrémní spolehlivostí: bezpečnost dopravy, rychlé zdravotní služby… . ● Podstatně prodloužená životnost napájecích akumulátorů (u terminálů M2M až 10 roků) ● Nižší pořizovací cena i nižší provozní náklady fixní infrastruktury i mobilních terminálů ● Vyšší buňková kapacita pro mnoho simultánních uživatelů, a to v licencovaných i v nelicencovaných úsecích spektra (vyplývající z konvergence buňkových systémů a WiFi) Nové technologie ● Přechod k heterogenním buňkovým sítím, s podporou mobile cloud computingu ● Densifikace sítě: nové body TP: mikro…femto buňky, antény DAS, relé FRN/MRN, M2M/D2D... ● Virtualizace sítí: „všechno jako služba EaaS (Everything as a Service)“ ● Nástup nových typů modulací a technik rádiového přístupu (beyond OFDM) ● Technika plného duplexu FDX (s potlačením vlastních interferencí SIC) ● Osvojení pásma milimetrových vln (3 až 100...300 GHz) ● Energeticky velmi úsporný návrh ● Systémy mnoha antén: diverzita, formování svazků a „masívní MIMO“… ● Vícenásobná konektivita uživatelských stanic ● Komunikace strojového typu MTC/M2M: Internet věcí (IoT), pohotový Internet (tactile Internet)
Perspektivní směry vývoje budoucího systému 5. generace Osvojení pásem milimetrových vln: k dosažení extrémně vysoké individuální datové rychlosti a kapacity systému 5G, si musí síť NX osvojit milimetrová pásma. Kvadratický nárust útlumu rádiového kanálu s frekvencí lze kompenzovat pomoci vysílacích antén s velkým ziskem. U většiny typů mikrovlnných antén zisk při jejich neměnných rozměrech totiž naopak s kvadrátem frekvence roste, čímž se vyrovnává zvětšující se útlum kanálu na frekvenci. Rapidnímu zvětšování útlumu kanálu s jeho rostoucí délkou lze čelit využitím mm pásem jen při malých vzdálenostech vysílač přijímač, tedy u velmi malých buněk, o průměru pod cca 100 m. Energeticky velmi úsporný návrh (ultralean design): spočívá v tom, že se minimalizuje vysílání všech signálů, které nejsou přímo spojeny s přenosem uživatelských dat. To jsou např. signály sloužící k synchronizaci, vstupu do sítě, odhadu kanálu ap, které není často nutné vysílat trvale, nýbrž jen na vyžádání. Omezení rádiového provozu nejen redukuje interference, ale nabízí i významnou možnost nastavení síťových vysílacích uzlů do režimu nízké spotřeby („sleep“). Systémy mnoha antén MAS (multiple antenna systems): antény se syntetickou aperturou, složené z více dílčích antén s fázově řízeným napájením, mají velký zisk a tedy i směrovost, přičemž jejich úzké vyzařované svazky lze elektronicky směrovat. Systémy masívní MIMO užívají v základnových stanicích BS antény tohoto typu s několika stovkami dílčích antén, což jim dovoluje vyčlenit cca 10 i více antén na jednu mobilní stanici MS a tu potom automaticky sledovat i při jejím pohybu. Tím se značně zvětší energetická i spektrální účinnost celého systému. Vícenásobná konektivita MPC (multipoint/multisite connectivity): je současná komunikace MS s více stanicemi BS, reléovými uzly ap., zajišťující vysokou jakost spojení při pohybu MS mezi buňkami; ve spojení s technikou distribuované MIMO dovoluje též přenos více datových signálů. Komunikace strojového typu MTC (M2M): komunikace MTC je typická velkým celkovým množstvím terminálů MTC, které často přenášejí jen velmi malé objemy dat, avšak musí být v činnosti po řadu let bez výměny napájecích zdrojů. Systémy MTC se dělí na systémy masového charakteru (rádiové senzorové sítě WSN ap) a na systémy kritické na latenci přenosu (sport...)
Perspektivní směry vývoje budoucí sítě 5. generace Millimeter Wave Cellular Networks (?) mmW are convenient at very small cells only and in alliance with high gain antennas only
Ultra – lean Design to only be active and transmit when needed to only be active and transmit where needed
Multiple Antenna Systems (MAS Rx/Tx diversity increases the received SNR Rx/Tx diversity reduces amounts of fading spatial multiplexing increases the data rate beamsteering increase coverage of the cell
Multipoint Connectivity (MPC) MPC improve quality and reliability connection as mobile devices moves between some cells
Machine Type Communication (MTC/M2M) MTC is comm. between different devices and CN, that include little (no) humans interaction security and health systems, navigation, educ.
Globální iniciativy ve vývoji systému 5G Mezinárodní telekomunikační unie ITU: hlavní orgán definující požadavky pro 5G (IMT 2020) a schvalující standardy, založené na technologiích vyhovujících těmto požadavkům. Vývoj systému 5G probíhá v globálním měřítku, a to ve formě mezinárodních i národních výzkumných programů. Je financován mezinárodními i národními orgány, jakož i privátními institucemi. Řešiteli jsou státní i podnikové výzkumné ústavy, průmysl, akademické ústavy, SME (Small Medium Enterprise) a další. ● Evropská unie: realizuje vývoj 5G v. rámci projektu 5GPPP (Private Public Partnership), který je součástí širšího rámcového programu FP8/ Horizon 2020 pro výzkum a inovace. Projekt 5GPPP, jež je společnou aktivitou EU a privátního průmyslu, je mj. zaměřen na vývoj pokročilé síťové infrastruktury 5G (ICT-14). Pro léta 2015 až 2021 již schválil Parlament EU pro ICT-14 příspěvek 700 miliónů €, několikrát vyšší je potom podpora soukromého sektoru. ● Spojené státy: hlavní aktivity ve vývoji 5G vyvíjejí tři subjekty, a to Aliance ISRA (Intel Strategic Research Alliance), Institut 4G Americas a Universitní centrum v New Yorku - NYU Wireless Research Center. ● Čína: aktuální jsou dvě hlavní aktivity, a to výzkumný program 863 Research Program (Chinese: 863) koordinovaný Ministerstvem vědy a technologie MOST (Ministry of Science and Technology) a program IMT-2020 (5G) Promotion Group. ● Japonsko: hlavní institucí ve výzkumu 5G je pracovní skupina The 2020 and Beyond Ad Hoc Group, asociace ARIB (Association of Radio Industries and Businesses); rozvinutá je i spolupráce japonských institucí s EU a US. ● Jižní Korea: soustřeďuje výzkum 5G hlavně v průmyslově-akademickém programu 5G Forum; také v tomto případě korejské instituce intenzívně kooperují s EU a US.
Nárust počtu průmyslových robotů v letech 2012 až 2017
V současné době svět stojí na prahu čtvrté průmyslové revoluce (průmysl 4.0). Ta se projeví ve výraznější digitalizaci, automatizaci a také ve využívání rychlého přenosu a vyhodnocování dat (pod pojmem data se rozumí nejen nejrůznější datové informace, ale i např. digitalizované statické obrazy, video, digitalizované neelektrické veličiny apod. Přenos dat se bude uskutečňovat za pomoci telekomunikačních systémů, které využívají dle možností buď metalické nebo optické spoje, nebo spoje rádiové (bezdrátové), disponující především neomezenou mobilitou. Do procesu 4. průmyslové revoluce tudíž budou zasahovat zcela zásadním způsobem mobilní radiokomunikační systémy páté generace (5G). Ty totiž od samého počátku svého vývoje (cca rok 2010) až do svého nástupu do praxe (cca rok 2020) směřují k poskytování služeb, žádaných v aplikacích nedílně spojených se 4. průmyslovou revolucí.
Projekty Evropské unie orientované na systém 5G
.
The EU budgeted 50 B (Billion) Euros for their 7th Framework Program (FP7) which funded projects from 2007 to 2013 The 8th Framework Program, named Horizon 2020, is also provided by the EU with an 80 B Euro budget and will fund projects from 2014 to 2020. Note: A Program is the larger entity that funds multiple Projects.
Kurz katedry radioelektroniky FEL ČVUT Katedra radioelektroniky Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze V minulých měsících uspořádala Katedra radioelektroniky Fakulty Elektrotechnické ČVUT v Praze několik běhů dvoudenního kurzu
2x2 MIMO
Rádiové komunikační systémy páté generace (5G) From electrons via waves to cloud!
Systémy 5G představují ve vývoji mobilní komunikace revoluční vývojový stupeň, který přinese uživatelům výrazné zdokonalení dosavadních personálních služeb a rozšíření jejich sortimentu a navíc zavede služby zcela nové, z oblasti internetu věcí IoT, cloudových technologií apod. Těchto atributů bude dosaženo díky zcela novým síťovým strukturám, progresívním technologiím, podstatným změnám v kmitočtovém plánování a dalším technickým novinkám. O uvedenou problematiku projevuje stále zájem velký počet odborníků, ,proto pořádající organizace uskuteční v budově Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze - Dejvicích opakování celé akce, a to v termínech:
19. – 20. listopad r. 2015
Štěstí přeje připraveným!
jiný dohodnutý termín Opakované běhy kurzu mají následující osnovu: • mezinárodní projekty 5G: Forum 5G, 5GPPP; EU projekty METIS, 5GNOW..; ostatní projekty: USA, Čína, Japonsko a Jižní Korea • architektura 5G: heterogenní sítě HetNet, sítě Cloud RAN a multi-RAT; sítě extrémně husté (UDN), s vlastní organizací a opravou (SON/SHN) • cloud computing (CC) a mobilní cloud computing (MCC); využití CC/MCC v technologii a managementu systému 5G • softwarově definované sítě (SDN) a virtualizace síťových funkcí (NFV); rádiový přístup RAN jako služba (RANaaS: RAN as a Service) • techniky více antén v 5G: prostorová diverzita (SD), multiplex (SM), formování svazků (BF), SU/MU-MIMO, satelitní MIMO; LOS-MIMO • technologie milimetrových vln (mmW) v 5G: útlum mmW a formování svazků BF; aplikace mmW v backhaul a ve fronthaul sítích • kooperativní techniky v systémech 5G: fixní a mobilní relaying, distribuované antény DAS a koordinace Tx/Rx (CoMP: Coordinated Multipoint) • radiokomunikace M2M (MTC) a její varianty (V2V, V2I...); Internet věcí /IoT); radiokomunikace v přímém módu D2D • softwarově definované radio SDR a kognitivní radio CR v systémech 5G; současná optimalizace účinností SE a EE v systému 5G • plný duplex IBFD (in-band full duplex); technika IBFD ve vrstvě PHY (technika SIC) a vrstvě MAC; aplikace IBFD v systémech D2D a CR •„zelené“ přenosové technologie (GTT) a „zelený“ management v sítích 5G; optimalizace energetické a spektrální účinnosti • aplikace systémů 5G: Internet věcí IoT a tactile Internet, multimédia MBMS, aplikace v průmyslu, v dopravě, v medicíně, ve vzdělávání... Kurzy v těchto opakovaných termínech budou zaměřeny hlavně na moderní síťové koncepce, technologie a aplikace 5G. V porovnání s předchozími běhy však v nich bude zdůrazněna problematika mobilního cloud computingu, virtualizace a softwarových technik v sítí 5G, zvýšená pozornost bude věnována technologii milimetrových vln v pozemním i družicovém sektoru systému 5G. Podrobněji se budou probírat také perspektivní aplikace systému 5G v oblasti ekologie, dopravy, zdravotní péče, e-learningu ap., které využívají strojovou komunikaci M2M/MTC, Internet věcí (IoT) a pohotový (taktile) Internet. Podrobnější informace o kurzu jsou uvedeny na adrese: http://mmtg.fel.cvut.cz/pgs-radiokomunikace/
Vedoucí osobnosti globálního vývoje systému 5G
IEEE Commun. Mag., Febr/May 2014
Perspektivní technologie pro generaci 5G Nové heterogenní buňkové struktury pro systémy 5G Aplikace milimetrových vln (mmw) v koncepci 5G Systémy s více anténami MAS (MIMO, BF...) Kooperativní techniky RN, DAS a CoMP Technika plného duplexu FDX (SIC)
Podstata buňkových sítí pro pozemní komunikaci (1946) sítě mohou pokrýt libovolně veliké území, při neomezené hustotě provozu PSTN telefonní ústředna
Rozměry buněk (ekvivalentní průměr): piko buňky..........................10 až 100 m mikro buňky.....................100 až 1000 m malé makro buňky.............1 km až 3 km velké makro buňky..........3 km až 30 km
radiotel. ústředna MSC
základnová stanice
mobilní stanice
svazek buněk: čtyři sousední buňky vytvářejí svazek (cluster) o rozměru N = 4 (obvykle N = 3 ...12); každá z nich má přidělen svůj soubor kanálů, takže se vzájemně neruší; kanály určité buňky však lze opakovat již v sousedním svazku, aniž by hrozilo nebezpečí jejich vzájemného rušení
PSTN = Public Switching Telephone Networks MSC = Mobile Switching Centre
základní přednost buňkových systémů: díky velmi malým rozměrům buněk mají vysílače základnových stanic malé výkony a tudíž rádiové kanály přidělené určité buňce se mohou opakovat v jiných, poměrně blízkých buňkách sousedních svazků. Díky tomu s relativně malým počtem kanálů lze poskytovat služby prakticky neomezenému počtu uživatelů kompletního, neomezeně rozlehlého buňkového systému. Je zde tedy možné dosahovat libovolně vysoké spektrální účinnosti systému, avšak za cenu zvyšujícího se počtu základnových stanic ve stále se zmenšujících buňkách
Různé metody zlepšení pokrytí v sítích LTE - densifikace Okraje buněk a zastíněné oblasti (různé terénní překážky, vysoká výstavba, tunely ...) pracují se signály s malým poměrem SNR, což má za následek sníženou kapacitu sítě i uživatelskou přenosovou rychlost. Tomu lze odpomoci při stávajícím počtu základnových stanic např. aplikací systémů s více anténami SIMO, MISO, MIMO a formováním svazků BF, kooperativními technikami DAS, CoMP ap. Další zlepšení může přinést densifikace sítě, tj. její doplnění původní sítě makrobuněk velkým počtem malých buněk, rádiovými hlavicemi RRH, novými rádioreléovými uzly RN, distribuovanými anténami RRH, domovskými uzly HeNB apod. nové technologie velice snížená propustnost na okrajích buněk
základnové stanice eNB
densifikace sítě rozmístění nově přidaných radioreléových uzlů..
výrazně zvýšená propustnost na okrajích buněk
systémy HSPA/LTE s makrobuňkami, značně zlepšené sítě HSPA/LTE bez dalších progresívních technik (ho- s vylepšenými technikami MIMO, mogenní síťová architektura) koordinovaným přenosem apod.
špičková rychlost
1,8 Mbit/s
špičková rychlost
špičková rychlost
14,2 Mbit/s
heterogen architektura HSPA/LTE s reléovými uzly RN, s anténami DAS, s domovskými uzly HeNB..
Vývoj buňkových koncepcí od homogenních k heterogenním analog. RF signál
mikrobuňka
mobile fronthaul CPRI resp. OBSAI (DROF)
mobile backhaul
5G Radio Networks Architecture/ C-RAN, White Paper 2011. China Mobile Research Inst.
Přehled analogových a digitálních schémat AROF a DROF analogový fronthaul
AROF
analogový fronthaul
RF signál (≈ 1GHz)
fRF
intenzitní modulace optické nosné vytváří ODSB pásma fRF fRF
f
loc − lRF
loc
loc + lRF
l
analogová optická linka
intenzitní modulace optické nosné vytváří ODSB pásma
IF signál (≈ 70 MHz)
fIF
fIF
f
fIF
loc−lIF loc+lIF loc
l
Různé konfigurace základnových stanic BS, realizujících přenos v různých pásmech (RF: Radio Frequency; IF: Intermediate Frequency). V těchto koncepcích se v RF a IF pásmech přenáší v optické lince analogový signál, kde jsou kladeny vysoké požadavky na linearitu, dynamický rozsah a frekvenční závislost této linky i dalších elektronických prvků. Tyto problémy řeší digitalizace informačního signálu v převodníku ADC a jeho přenos v digitální formě. V přijímači pak probíhá převod DAC.
digitální fronthaul
DROF
digitální fronthaul
analogová optická linka
Základnové stanice BS, realizující přenos digitalizovaných IF resp. RF signálů po optické lince technikou IM - DD, která zmírňuje požadavky na parametry této linky i ostatních prvků. Koncept DROF také zjednodušuje implementaci stanic BS a zvyšuje kvalitu spoje Yang, V.: Investigation on Digitized RF Transport over Fiber. PhD Thesis, University Melbourne, 2011
Digitalizovaný hybridní opticko-elektrický přenos DROF přímá modulace na optickou nosnou
přímá detekce optické nosné
pásmové vzorkování RF signálů replika RF spektra (BB)
digitální RF (QAM) vysílač a ADCBPS
trasa DL
digitalizovaný signál v BB laser VCSEL fotodioda PIN
digitální RF (QAM) přijímač a DACBPS
digitalizovaný signál v BB
originální RF spektrum
SMF pásmové vzorkování trasa UL
SMF CO
BPF BPF
BPF BPF
BS
všechny funkce signálového procesingu se realizují v centrálním kabinetu CO, což podstatně zjednodušuje základnovou stanici BS
oboustranné frekvenční spektrum RF signálu ležícího v pásmu fL až fH, po pásmovém vzorkování BPS frekvencí fs. Spektrum má více shodných replik (Nyquist zone), rozložených souměrně kolem lichých násobků frekvence fs/2, které se při vhodné volbě fs nepřekrývají. Repliky leží pod RF pásmem, tudíž BPS lze užít ke konverzi frekvence dolů (prakticky do BB)
Analogové koncepce AROF vyžadují náročnou elektroniku na straně CO, nebo BS a vyžadují vysokou linearitu RF i optických elementů a velký dynamický rozsah optické linky, přenášející analogový signál. Zdokonalená koncepce přenosu DROF (Digitized Radio-Over-Fiber) uvedené slabiny potlačuje. Ve vysílači je datový signál v BB nejprve namodulován např. formátem M-QAM na RF nosnou, s frekvencí fRF, rovnající se frekvenci nosné signálu vysílaného ze základnové stanice BS. Tento analogový signál je v převodníku ADC digitalizován. Při při velmi vysoké frekvenci nosné, v porovnání s modulací, je aplikováno pásmové vzorkování BPS, vystačující s nízkou vzorkovací frekvencí fs. Digitalizovaný signál v BB je v E/O konvertoru modulován na optickou nosnou a poté přenášen optickou linkou. Tato koncepce má následující přednosti: • Náročný digitální procesing (digitální funkce vysílače a přijímače apod.) lze soustředit do robustního CO • Digitální optickou linku lze realizovat intenzitní modulací ve vysílači a přímou detekcí v přijímači (IM-DD) • Digitální přenos je imunní vůči nelinearitám optické linky a dynamický rozsah systému nezávisí na její délce • Použité pásmové vzorkování BPS v převodníku ADC vysílače transformuje RF signál do nízkých pásem (viz obr. vpravo) a v převodníku DAC přijímače se naopak signál překládá do vysílaného RF pásma. Tím se eliminuje přídavná frekvenční konverze (potřebu směšovačů, náročných LO atd), čímž se zjednodušuje architektura BS. Lim., Ch. et all.: Radio-over-Fiber Systems. Conf. Paper. The International Society for Optical Eng., December 2009.
Pasívní a aktivní optické sítě Fronthaul v rozhraní CPRI, kombinovaná síť Fronthaul/Backhaul pasívní mobilní fronthaul
aktivní mobilní fronthaul s transparentními transpondéry WDM
Passive Fronthaul: passive WDM option enabling Active Mobilefronthaul: Fronthaul:využívá bringingaktivní key values as PasívníMobile mobilní fronthaul: aplikuje pasívní optické sítě Aktivní mobilní vlnovýsuch multiplex PON vlnovým WDM (resp. CWDM nebo WDM, umožňuje překlenutísynchron. větších vzdáleností mezi uzly low – ors even no – multiplexem power consumption. lowcož latency and superior DWDM), se vyznačuje jednoduchostí a nízkou, nebo dokonce nulovou spotřebu elektrické energie. Je vhodný zej ména pro lokality s malými buňkami a intenzívním provozem
fronthaulu; aktivní WDM také přináší výrazné zdokonalení dalších parametrů, zejména nízkou latenci přenosu, zdokonalenou synchronizaci, možnost ochranného kódování FEC atd.
Integrovaná síť použitá pro mobilní fronthaul a také pro mobilní backhaul
„fronthaul is backhauled“
Mobile Fronthaul and Mobile Backhaul network overlapping providing synergy benefits. Spojenílooking mobilního a mobilního backhaulu přináší synergetické zlepšení celkové systému, aplikujícího When at fronthaulu a specific(CPRI) geographic area that requires mobile fronthaul, there funkce will bebuňkového traffic over the same region optické sítě (DROF): v určitých geografických oblastech, kde je již vybudován mobilní backhaul, se může dodateč- ně vyžadovat realizace that is the traditional mobile backhaul traffic. This fronthaul network is then “backhauled” over the same network as sítě mobilního fronthaulu; efektivním řešením tohoto problému je jediná integrovaná síť, plnící potom obě funkce the fronthaul traffic for those nodes, that are closer to the core networks. Mobile Fronthaul. Application Note Transmode. www.transmode.com
Rádiová přístupová síť C-RAN Mobilní Cloud Computing MCC vzniká spojením cloud computingu a mobilního computingu, přičemž potlačuje jejich hlavní slabiny, spočívající v omezeném procesním výkonu a kapacitě pamětí a v malé pracovní kapacitě akumulátorů v uživatelských terminálech UT. Při aplikaci techniky MCC se náročné operace požadované od UT přesunou, s využitím vhodné buňkové nebo lokální sítě (LTE, WiFi apod) a za pomoci kanálů Internetu resp. Ethernetu, do cloudu systému a jejich výsledky se pak vrací do UT. Tím se terminál UT značně odlehčí a díky mohutné výpočetní výkonnosti cloudu se potřebné operace urychlí. Avšak spojení mobilního terminálu UT s cloudem musí disponovat u širokopásmových sítí velkou kapacitou a malou latencí přenosu, jejichž dosažení je zejména při vzdálených cloudech, obtížné. Mobilní Cloudlets Computing MCLC: Cloud Computing CC: počítačová Průměrná délka trasy mezi terminálem technologie, poskytující uživateli saMCC UT, přes mobilní síť a Internet, až k nejMobile Cloud moobslužný přístup k rekonfiguroComputing bližšímu velkému cloudovému datovému vatelným velmi výkonným počítačocentru CDC je veliká (až stovky km). MCLC vým zdrojům (servery, paměti..), jež CC Mobile Cloudlets Příslušné přenosové trasy pak mají velký jsou soustředěny v „cloudu“ (poolu, Cloud Computing Computing útlum i latenci přenosu. Doplněním kabinetu), často značně vzdáleném základní cloudové struktury malými, avšak (řádu 100 km), avšak dostupném s výkonnými cloudlety CL, ležícími blízko využitím Internetu či Ethernetu. CC NFV SDN aktuálních síťových lokalit, se útlum i Network Function Software Defined poskytuje specifikované služby „on Virtualization Networks latence přenosu těchto krátkých tras sníží, demand“, s tarifováním odpovídajíčímž se zvýší jejich širokopásmovost cím pouze reálnému zatížení Virtualizace síťových funkcí NFV: u HW sítí se Softwarové definované síťování SDN je klíčem jednotky EPC i RAN skládají z HW bloků (SGW, k softwarovému ovládání komunikačních sítí. Do nich PGW, MME a jiné). Ty jsou určené pro dedikované proniká ve formě čtyř inovací kontrolní (CP) a datové funkce, takže se obtížně inovují, přemisťují apod. (DP) roviny: 1. Separace CP a DP; 2. Centralizace CP; U NFV sítí jsou drahé HW bloky nahrazeny stan- 3. Programovatelnost CP; 4. Standard. API. V klasických dardními sériovými servery, paměťmi a spinači, HW sítích měly CP i DP společnou hardwarovou umístěnými v datových centrech ap. Tím se platformu. Jejich separace umožní centralizované řízení výrazně sniží náklady CAPEX/OPEX, zrychlí se sítě v CP, které je rychlejší a pružnější, než konvenční inovace a sníží spotřeba. Díky standardní IT distribuované řízení. Centrální kontroler pak řídí síť jen platformě se zefektivní jejich management a zvýší softwarově. Programovatelná CP se tak stává hlavním izolace uživatelů. Velké zdroje lze dělit na menší, rysem SDN. Síťový operátor pak může velice rychle inovovat svoji infrastrukturu a zavádět nové služby. malé zdroje sdružovat (sharing/aggregation).
2
1
3
5
4
Perspektivní technologie pro generaci 5G Nové heterogenní buňkové struktury pro systémy 5G Aplikace milimetrových vln (mmw) v koncepci 5G Systémy s více anténami MAS (MIMO, BF...) Kooperativní techniky RN, DAS a CoMP Technika plného duplexu FDX (SIC)
Útlum rádiových kanálů vlivem deště a atmosférické absorbce
intenzívní déšť (25 mm/hod) f = 28 GHz; d = 200 m útlum 1,4 dB ( @ 7 dB/km)
a)
frekvence [GHz]
Útlum i při silném dešti (25 mm/hod) má v celém pásmu mm vln 30-300 GHz při vzdálenostech do 200 m hodnoty pod cca 3 dB (tj. 15 dB/km), které jsou poměrně malé oproti jiným faktorům, ovlivňujícími útlum rádiového kanálu (hlavně vůči útlumu šíření Lprop=(4d/l)2)
útlum rádiového kanálu vlivem atmosférické absorbce
útlum vlivem atmosfér. absorbce [dB/km]
útlum vlivem deště [dB/km]
útlum rádiového kanálu vlivem deště
absorbce H2O
absorbce O2
atmosférická absorbce (H2O) f = 28 GHz; d = 200 m útlum 0,012 dB (@ 0,06 dB/km)
b)
frekvence [GHz]
Uvnitř celé milimetrové oblasti 30-300 GHz je pro komunikaci s ohledem na atmosférickou absorbci vhodné pásmo v okolí 28 GHz, které vykazuje na vzdálenost 200 metrů útlum pouze 0,012 dB (0,06 dB/km), v pásmu 38 GHz je útlum nepatrně větší. Další vhodné pásmo je 70 až 100 GHz a též pásmo 125 až 160 GHz
Vlastnosti rádiových kanálů v oblasti milimetrových vln T. Rappaport: „Millimetre wave are very appropriate for next generation 5G“ • V ideálním kanálu šíření LOS (kanálu mezi anténami) útlum milimetrových vln roste s kvadrátem frekvence f, což je pro aplikace v mobilní komunikaci nevýhodné • Tento nárust lze ale kompenzovat užitím antén s velkou směrovostí a tedy i ziskem • V milimetrové oblasti lze antény s velkým ziskem/směrovostí - ať již v diskrétní formě, nebo ve formě anténních polí - snadno realizovat, neboť při neměnných rozměrech se u většiny typů antén (parabolických ap) s růstem frekvence zisk zvětšuje • V reálném pozemském kanálu vlivem ztrát šířením (path loss) roste útlum s mocninou vzdálenosti d (tedy d ); koeficient ztrát šířením má obvyklé hodnoty = 2 ... 6, přičemž je na frekvenci jen málo závislý • Trasy NLOS vykazují silný odraz a rozptyl, ohyb je slabý; zastínění pevnými překážkami (cihlové zdi,...) je velké, problém řeší užití více antén v jediné stanici UT • Pokrytí uvnitř budov (indoor) je nutné zajistit pomoci mikrobuněk, distribuovaných antén DAS, reléových spojů (uzly RN) ap. Přesto zde nelze odstranit výpadky spojení • Milimetrové vlny neumožňují spolehlivé, robustní celoplošné pokrytí velkých lokalit; kompletní systém 5G proto musí být heterogenní, tj. musí obsahovat jednak velké zastřešující makrobuňky - využívající konvenční pásma (< 5 GHz), jednak malé mikro/piko/femto buňky, které budou využívat nová milimetrová pásma • Makrobuňky budou zajišťovat celoplošné pokrytí, se spolehlivým předáváním (HO) i když s nižší dosažitelnou síťovou propustností a uživatelskou rychlostí • Mikrobuňky potom zajišťují vysokou lokální propustnost i uživatelskou rychlost
Útlum rádiových kanálů v oblasti milimetrových vln Útlum ideálního rádiového kanálu na milimetrových vlnách: f ≥ 30GHz Friisův vzorec pro zisk rádiového kanálu (při ziscích antén Gt, Gr):
Pr l GtGr Pt 4d
Friisův vzorec pro zisk kanálu šíření (při ziscích antén Gt = Gr = 1):
Pr
zisk kanálu šíření
1 f2
, avšak zisk antény
f2
l Pt 4d G
4 A eff λ2
2
2
c0 4df
f 4 c0
2
2
pro fixní rozměry antén ve volném prostředí frekvence nemá na zisk rádiového kanálu vliv. Přídavné ztráty v pozemském rádiovém kanálu (zastínění, déšť...): vliv prostředí (ztráty šířením, zastínění ...) vyjadřuje koeficient ztrát šířením , závislý na charakteru terénu, vegetaci apod., přičemž v praxi = 2 ...7. Prostředí městské makrobuňky Neprostupné překážky vykazují velký útlum (cihlová zeď > 35 dB ... Šíření v rádiových kanálech NLOS: Šíření v rádiových kanálech NLOS podporuje odraz (reflection) a rozptyl rádiových vln, velmi slabé je působení ohybu.
rozsah 3,7 …6,5
městské mikrobuňky
2,7 …3,5
úřady (různá patra)
2,0 …6,0
obchodní domy
1,8 …2,2
průmyslové podniky
1,6 …3,3
byty
2,5 …3,5
otevřená krajina s LOS 2,0 …2,5 Závěry: Při komunikace na krátké vzdálenosti cca do 200 metrů, při použití antén, nebo anténních polí s velkým ziskem, při jejich fixních rozměrech nezávislých na frekvenci a při využití odrazu a rozptylu rádiových vln, je pozemní komunikace v pásmu milimetrových vln možná!. Případný vliv deště a atmosférické absorbce na útlum není sice zanedbatelný, avšak většinou je nepodstatný
Experimentální ověřování mechanizmů šíření v mm oblasti
Perspektivní technologie pro generaci 5G Nové heterogenní buňkové struktury pro systémy 5G Aplikace milimetrových vln (mmw) v koncepci 5G Systémy s více anténami MAS (MIMO, BF...) Kooperativní techniky RN, DAS, CoMP Technika plného duplexu FDX (SIC)
Počátky diverzitního příjmu na krátkých vlnách (1930...) Přijímací diverzita SIMO (Single Input Multiple Output)
V pásmu krátkých vln (3 až 30 MHz) se šíří rádiové vlny formou odrazů - velmi často i mnohonásobných - mezi ionosférou a Zemí. Vlivem vektorového sčítání všech signálů přijímaných anténou potom dochází k nepravidelnému kolísání úrovně výsledného přijímaného signálu, nazývanému "únik". Nejstarší systémy s prostorovou přijímací diverzitou (SIMO) využívají k příjmu jediného vysílaného signálu několik nezávislých přijímacích antén (přijímačů), s dostatečnou vzájemnou vzdáleností; úniky dílčích přijímaných signálů jsou potom slabě korelované, takže kombinováním těchto signálů se vytváří výstupní signál s podstatně větším průměrným poměrem signál / šum SNR a také se zvýšenou imunitou vůči mnohocestným únikům i vůči různým interferencím ionosféra (výška 80 až 800 km nad zemským povrchem)
nejméně několik l dílčí přijímač
kombinovaný výstup systému s přijímací diverzitou (SIMO), zajišťujícího výrazné potlačení úniku (fadingu); první systémy SIMO aplikovaly tzv. přepínací diverzitu, u níž je výstupem ten z přijímaných signálů, jež má právě největší poměr SNR
krátkovlnný vysílač f = 3 MHz, l = 100 m
Principy základních systémů s více anténami MAS: SISO/SIMO/MISO a MIMO vysílací antény
rádiový kanál
přijímací antény 1896 CS=log2(1+SNRS) SNR = SNRSISO
1930 CSIMO ≈ CSISO SNR ≈ 2 SNRSISO
1990
CMISO ≈ CSISO SNR ≈ 2 SNRSISO
1994 CMIMO ≈ 2CSISO SNR ≈ SNRSISO
dílčí antény vysílačů resp. přijímačů musí být od sebe dostatečně vzdáleny: min. l/2 u MS, až 10 l u BS, resp. různě polarizovány (horizontálně/vertikálně apod)
Prostý rádiový přenos SISO: přenáší se jen jeden modulační datový tok, po jediné rádiové cestě, přičemž zde nepůsobí žádná ochrana vůči únikům. Přenosová kapacita C0 je dána přímo Shannonovým vztahem C0 = B log2 (1 + S/N). Přijímací resp. vysílací prostorová diverzita SIMO / MISO: přenáší se jediný modulační datový tok po více rozdílných, pokud možno co nejméně vzájemně korelovaných cestách; tím se zvyšuje imunita proti únikům, šumu i interferencím (oproti SISO), a to přímo úměrně počtu přijímacích resp. vysílacích antén; přenosová kapacita se však téměř nemění. Přitom není nutné zvětšovat původní vysílací výkon ani šířku rádiového pásma (vůči ekvivalentnímu systému SISO). Prostorový multiplex MIMO: přenáší se více různých datových toků-vrstev (layers, streams) po více rozdílných slabě korelovaných cestách, vytvářených více anténami ve vysílači i v přijímači; tím se vytváří prostorový multiplex, zvyšující přenosovou kapacitu celého systému to při původním nezvětšeném výkonu vysílače a při původní nezvětšené šířce rádiového (RF) pásma (vůči ekvivalentnímu systému SISO). Počet nezá- vislých vrstev se nazývá rank systému MIMO
Formování anténních svazků (beamforming, angular diversity) fázované anténní řady
Principy formování anténního svazku (směrového diagramu) anténního pole s více anténami
Principy formování anténního svazku pomocí řízení fází napájecích signálů dílčích antén fázované anténní pole
neřízené anténní pole
„beamsteering“ UE1 konstruktivní interference
řízení fázových posunů UE 2 destruktivní interference
UE
Formování dvou svazků (dual layer beamforming), přenášejících různá data, pomocí dvou soustav vahových koeficientů: stanice eNB obslouží dvojnásobek stanic UE (zdvojnásobí buňkovou kapacitu), event. jediná UE zdvojnásobí datovou rychlost; maximální dosažitelný počet svazků se rovná počtu dílčích antén ve svazku data pro svazek 1
váhy pro svazek 1
data pro svazek 1
svazek 1
váhy pro svazek 1
UE 1
základnová stanice eNB
váhydB pro 195,6 38 48 109,6 dB. PL svazek 2
data pro svazek 2
svazek 2 UE 2
data pro svazek 2
váhy pro svazek 2
Závislost kanálových koeficientů systému 2x2 MIMO na čase
U systému 2x2 MIMO existují čtyři přenosové cesty, charakterizované svými kanálovými koeficienty hij. Při dostatečné vzájemné vzdálenosti antén ve vysílači a také antén v přijímači (> l) jsou tyto koeficienty - a tedy i úniky v těchto cestách - vzájemně nekorelované (tj. statisticky nezávislé).
Anténní systémy MAS v prostředí makrobuněk a mikrobuněk potřebné vzdálenosti dílčích antén
makrobuňky: ~ 10 l mikrobuňky: ~ l/2 AoA (angle of arrival) ~ 300
~0,5 l
mobilní stanice MS obvykle je obklopena pouze blízkými překážkami, takže odražené signály k ní přicházejí ze všech stran (AoA ~ 3600); u jejich antén potom postačí vzájemná vzdálenost cca l/2 (viz Clarcův model šíření)
LOS
AoA ~ 3600
základnová stanice BS u makrobuněk bývá na vyvýšené pozici, takže nemá ve svém okolí žádné blízké překážky; její vysílané signály proto leží v malém sektorovém úhlu ~ 20 až 450; potřebná vzdálenost jejich antén potom je minimálně asi 10 l. U mikrobuněk a ve vnitřním prostředí je situace podobná jako u MS a tedy postačí vzájemná vzdálenost antén cca l/2
U systémů s prostorovou diverzitou i multiplexem se používají antény s relativně slabou prostorovou korelací vysílaných resp. přijímaných signálů, dosahovanou buď velkou vzájemnou vzdáleností dílčích antén, nebo jejich různou polarizací, případně kombinací obou technik. V prostředí makrobuněk, s buňkami o velikosti stovek metrů až několik kilometrů, jsou základnové stanice BS obvykle vysoko nad terénem a tedy mimo přízemní překážky v jejich těsném okolí (outdoor). Úhlový roztyl jejich signálů je zde relativně malý - řádově desítky stupňů, a proto vzdálenost vzájemná vzdálenost antén BS pro slabou korelaci je zde 5 až 10l tedy poměrně velká. V prostředí mikrobuněk, typických pro uzavřené prostory (indoor), nebo malé venkovní lokality s nízko umístěnými anténami, jsou MS i BS prakticky ze všech stran obklopeny různými překážkami. Úhlový rozptyl jejich rádiových signálů zde bývá až 3600, proto se zde vystačí na BS s malou vzájemnou vzdáleností jejich dílčích antén řádu cca l/2. Mobilní stanice MS jsou většinou na zemském povrchu, kde je obklopují blízké překážky (osoby, automobily ap). Vlivem toho je úhlový roztyl těchto signálů v mobilní stanici velký (běžně plných 3600 ), takže je možné považovat za dostatečnou vzájemnou vzdálenost jejich dílčích antén již délku cca l2.
Rádiový kanál MIMO s výrazným mnohacestným šířením (multipath rich, scattering rich)
BB
010
110
Tx
s1
s2
RF
RF
010
010 110
110
110 rádiový kanál 2x2MIMO s odrazem, ohybem a rozptylem rádiových vln
010
Rx
r1
r2
Přijímané symboly r1, r2 lze vyjádřit jako lineární kombinaci vysílaných symbolů s1, s2, a to formě dvou lineárních rovnic:
BB
010
110
s1*
s2*
CMIMO min(MT ; MR ) BB
010
110
Tx
s1
s2
RF
010
h11 h21 h12
110
h22 náhrada reálného kanálu 2x2MIMO linearizovaným kanálem s přenosy hij
RF
010 110
110 010
r1 = s1h11 + s2h12 r2 = s1h21 + s2h22 Jsou-li obě rovnice vzájemně nezávislé, a jsou-li známé přenosové koeficienty kanálu hij (i, j = 1, 2), je potom možné při známých přijímaných symbolech r1, r2 z těchto rovnic určit odhady s1* , s2* neznámých vysílaných symbolů s1, s2: sˆ1
Rx
r1
r2
BB
010
110
s1*
s2*
hˆ22 r1 hˆ12 r2 hˆ11 hˆ22 hˆ21 hˆ12
sˆ2
hˆ11r2 hˆ21r1 hˆ11 hˆ22 hˆ21 hˆ12
Předchozí úvahy se snadno zobecní pro systém s N vysílacími a M přijímacími anténami. Při M přijímacích anténách lze zapsat přijímané signály ve tvaru M rovnic, z nichž je možné nalézt nejvýše právě M neznámých vysílaných signálů (a to i tehdy, kdy N > M). V maticovém zápisu lze psát r1
s1
h11
h 1N
= rM
n1 +
sN
hM1
hMN
nM
Vlivem výrazného mnohocestného šíření, vznikajícího následkem odrazu, ohybu a rozptylu, může signál vysílaný z libovolné vysílací antény přicházet na libovolnou přijímací anténu. V dekodéru přijímače se potom z těchto mixovaných složek získávají původní „čisté“ datové signály vysílané dílčími vysílacími anténami. Podmínkou úspěšného dekódování je co nejslabší korelace mezi dílčími kanály mezi každou vysílací a každou přijímací anténou. K dekódování dekodér znát kanálové koeficienty (přenosy) hij všech CMIMO však minmusí (MT ;M R ) CSISO uvedených dílčích cest; ty se získávají s využitím pomocných referenčních (tréningových) sekvencí, specifických pro každou vysílací anténu a vkládaných periodicky - a dostatečně často (v intervalech kratších, než je doba koherence Tcoh daného kanálu) - mezi vysílaná uživatelská data.
Získávání aktuálních kanálových koeficientů systému 2x2MIMO kanálové koeficienty (impulsní odezvy) pro všechny čtyři dílčí kanály mezi oběma vysílacími a přijímacími anténami hij se získávají pomocí referenčních signálů, vysílaných periodicky mezi daty. Jsou - li tyto odezvy známy, vysílají obě vysílací antény simultánně svá data, až do dalšího určování hij vysílané symboly s1, s2
s1, s2
vysílané signály s1 A 1 vysílač MIMO s2 B
vysílač MIMO
h11 h21
-0,6
h12
s1 A s2
přijímané přijímané signály symboly 0,2 r1 C přijímač s1, s2 MIMO -0,1 r2 B
1
C 0,8
h22
B
B
r1
přijímač MIMO
r2
r1 = h11s1 + h12s2 + n1 r2 = h21s1 + h22s2 + n2 vysílané symboly data vstup
s1, s2
s1
h11 h21
s2
h12 h22
odhad kanálu
s1, s2
h11 = r1/s1 h21 = r2/s1
Při pasívní anténě B se vysílá z antény A referenční symbol 1, čímž se získají přijímané odezvy [0,2;-0,1]
h22 = r2/s2 h21 = r2/s2
Při pasívní anténě A se vysílá z antény B referenční symbol 1, čímž se získají přijímané odezvy [-0,6; 0,8] 1 0
0,2
-0,6
0 1
-0,1
0,8
kompletní kanálová matice H : odhad symbolů
demodulace
r1
data výstup
časový plán přenosu dat a referenčních signálů pro určitý systém OFDM v režimu MIMO modulace
mapování antén
r2
symboly OFDM (čas)
subnosné (frekvence)
symboly OFDM (čas) A
A
A
A
A
A
B
B
A
A
anténa A
A
referenční signál z antény A
B
referenční signál z antény B
B
B
B
data vysílaná z antény A
B
B
nevyužitý zdrojový prvek
B
data vysílaná z antény B
anténa B
V režimu přenosu dat jsou z antény A vysílána pouze jí příslušející data A a z antény B pouze data data B. V přijímacích anténách C a D jsou tato data smíchána. Avšak lineární kombinace obou přijímaných datových toků v přijímacích anténách reprezentuje soustavu dvou rovnic o dvou neznámých, jejímž řešením se získají oba dva originální datové toky.
Přijímací diverzita SIMO s kombinováním MRC Maximum Ratio Combining
h1= 1ej1 s0 n1 vysílač h2= 2e
j2
n2
r1 = h1 s1+ n1 odhad kanálu
h1
*
h*1
h2
*
h*2
r2 = h2s2+ n2 odhad kanálu
~ s0 detektor detektor ML ML
s0
Odhad kanálu: V přijímači MRC je nezbytné plynule realizovat odhad rádiového kanálu. To umožňuje technika periodického vkládání pomocných referenčních symbolů mezi vysílaná data. Přijímač strukturu těchto symbolů zná a jejich porovnáváním s odpovídajícími přijímanými symboly, vytváří odhad kanálu.
Přijímací diverzita s kombinováním na maximální poměr MRC (Maximum Ratio Combining), znázorněná pro dvě diverzitních větve na obrázku, vede k maximálnímu poměru signálu ku šumu SNR na výstupu přijímače. Je vhodná pro úzkopásmové rádiové kanály, v nichž jsou přenášené signály pouze doprovázeny bílým šumem AWGN a postihovány frekvenčně plochými úniky. Signály přijímané z obou větví se individuálně váží a poté se sčítají. Všechny váhované užitečné složky potom mají shodné fáze a dochází tedy k jejich koherentnímu kombinování, kdežto šumy dílčích antén se sčítají nekoherentně tj. s náhodnou fází. Proto při kombinování dochází ke zlepšení celkového výstupního poměru SNR.
Alamoutiho prostorově časová vysílací diverzita STTD Tx1 s1 , s2 , ...
s 1, - s2, ... modulace OFDM
h1 = 1e j 1 n1+n 2 h2 = 2e j 2
s 2, s1, ...
kombinační obvod
h1
h2
odhad kanálu
Tx 2
Alamouti: A Simple Transmit... IEEE JSAC, No. 8, Oct. 1998
s~2 s~1 h2 h1
ML detektor
sˆ 2 ~ s 1 (12 22 ) s1 h1n1 h2 n2 s~2 (12 22 ) s2 h1 n2 h2 n1 sˆ1
obecné kódovací schéma s n , s n 1 sn 1 , sn
bitová chybovost BER
1,0 MT = 1 MR = 4 MT = 2, MR = 2 MT = 1, MR = 2 MT = 2, MR = 1 MT = 1, MR = 1
10-1 10-2 10-3
(SIMO) (MIMO) (SIMO) (MISO) (SISO)
The first code that defined the space-time block category was discovered by Siavash Alamouti and is known famously as the Alamouti Code. This seemingly simple idea is considered one of the most significant advances in MIMO. In fact it was this code that basically set the whole block and trellis coding for MIMO in motio
10-4 10-5 10-6 0
5
10
15
30
20 25 SNR [dB]
35
40
U Alamoutiho schematu prostorově časové vysílací diversity STTD (Space-Time Transmit Diversity), jsou modulační symboly mapovány v prostorové a navíc v časové doméně. Z jedné antény se vysílají vstupní datové symboly s1 - s2 , ... U druhé antény se vysílají
zakódované symboly s2 , s1 , ... V kombinačním obvodu přijímače se za pomoci odhadnutých odezev obou diverzitních cest h1, h2 získávají odhady vysílaných signálů ~ ~ s1 , s2 , které se v ML detektoru převedou na odhady sˆ1 , sˆ 2 maximálně pravděpodobné vysílaným signálům s1, s2.
Systém 2x2MIMO prostorového multiplexu s otevřenou smyčkou OL RI (indikátor ranku)
data vstup
modulace
vysílané symboly
1 nebo 2 vrstvy
s1, s2
s1 s2
přijímané signály
vysílané signály h11
s1 mapování vrstev
odhad ranku RI
mapování antén
h21
r1
h12
s2
h22
s1, s2
s1 odhad kanálu
odhad symbolů
demapování vrstev
s2
demodulace
přijímané symboly
data výstup
r2
Uvedený základní systém je jednoduchý, avšak občas u něho vznikají určité problémy. Tak např. při určitých konkrétních hodnotách kanálových koeficientů hij se může jmenovatel relací (2) rovnat nule, takže z nich nelze stanovit hledané odhady vysílaných symbolů s1, s2. Podobné potíže se objevují také při malých poměrech SINR přijímaných signálů a rovněž při znatelněji korelovaných dílčích trasách šíření. Aby se předešlo těmto problémům, může se místo principiálního zapojení použít jeho zdokonalená adaptivní verze zobrazená výše a označovaná jako systém 2x2 MIMO prostorového multiplexu s otevřenou smyčkou (2x2 MIMO open loop spatial multiplexing system), která je např. implementována v systému LTE. Zde jsou v bloku odhadu ranku MIMO nepřetržitě analyzovány odhady kanálových koeficientů hij a z nich je odvozován indikátor ranku RI (Rank Indication), indikující počet symbolů, které lze úspěšně přijímat. Ten má při spolehlivém odhadu koeficientů hij hodnotu RI = 2, která se předá pomocným zpětným kanálem do bloku mapování vrstev vysílače. Tato hodnota dává uvedenému bloku povel, aby odeslal během doby 2Ts dva různé symboly s1, s2, což odpovídá výše popsanému regulárnímu multiplexnímu režimu. Při nespolehlivém odhadu koeficientů hij má indikátor ranku hodnotu RI = 1, která dává bloku mapování vrstev v přijímači povel, aby odeslal během doby 2Ts dva stejné symboly s1, s1, což odpovídá klasickému diverzitnímu režimu. V tomto případě se kapacita systému (vůči SISO) nezvětší, avšak přenosem dvou stejných symbolů po různých trasách se zvýší robustnost přenosu.
Systémy MIMO s předkódováním Intuitive understanding MIMO precoding
• The receiver could just amplify the right channel but in presence of noise the corrected signal would degrade: • Precoding the transmission as L, 5R optimizes signal recovery
L Rumney (nový): str, 73 If the matrix...allow HOM... or preequalization...
R
L
5R Solution!
L + NL, 0.2 R + NR L + NL, R + 5*NR
Problem!
L + NL, R + NR
Jestliže má vysílač k dispozici informace o stavu kanálu CSIT (znalost kanálové matice H), potom je možné v něm realizovat předkódování vysílaných signálů, a to jedním ze dvou následujících způsobů: • využít případné asymetrie v přenosech obou kanálů k aplikaci modulace vyššího řádu (HOM) v lepším kanálu • posílit vysílací výkon v horším kanálu, tj. výkonově vyrovnat (ekvalizovat) přenos v obou kanálech (viz obr.) [1] Rumney, M.: LTE and the Evol. to 4G. J. Wiley&Sons, 2013, Agilent Techology [1] MIMO MIA! …or the different faces of MIMO! Agilent Tech, 2005
10% výpadková kapacita Cout [bit/s/Hz]
ergodická kapacita Cerg [bit/s/Hz]
Kapacita systémů s více anténami SIMO, MISO a MIMO souhrnný pohled 25 MT = 4, MR = 4 MT = 2, MR = 2 MT = 1, MR = 2 MT = 2, MR = 1 MT = 1, MR = 1
20
(MIMO) (MIMO) (SIMO)* (MISO)** (SISO)
15 * komb. MRC; ** Alamouti nekoh. (1x2SIMO – 2x1MISO SNR ≈ 3 dB
10
5
0
0
2
4
6
8
10 12 SNR [dB]
14
16
18
20
a) závislost ergodické kapacity Cerg na poměru SNR na vstupu přijímače (BPSK; Rayleighův únik)
25 MT = 4, MR = 4 MT = 2, MR = 2 MT = 1, MR = 2 MT = 2, MR = 1 MT = 1, MR = 1
20
(MIMO) (MIMO) (SIMO)* (MISO)** (SISO)
15 * komb. MRC; ** Alamouti nekoh. 10
5
0
0
2
4
6
8
10 12 SNR [dB]
14
16
18
20
b) závislost výpadkové kapacity Cout na poměru SNR na vstupu přijímače(BPSK; Rayleighův únik)
Ergodická (ergodic) kapacita Cerg: U kanálů s blokovým únikem BF je možné na každý blok, při němž je přenos konstantní, resp. téměř konstantní, aplikovat Shannonův vztah a tím získat kapacitu odpovídající tomuto bloku. Zprůměrováním všech takto určených hodnot se získá ergodická (Shannonova) kapacita Cerg. Výpadková (outage) kapacita je kapacita zajištěná pro určitou úroveň spolehlivosti přenosu; je definována jako informační rychlost garantovaná pro (100 – p)% realizací daného kanálu, kde p je pravděpodobnost výpadků (např. při pravděpodobnosti p = 1% je kanál po 99% času nad prahovou hodnotou SNR a může přenášet data, kdežto po 1% času spolehlivý přenos není možný a systém je mimo provoz). Změny kanálu probíhají vlivem úniku obvykle spojitě, avšak pro zjednodušení se reálné kanály často aproximují kanály s blokovým únikem BF (Block fading). U nich je tok signálu dělen na vhodné bloky, přičemž uvnitř každého bloku se únik považuje za konstantní, avšak blok po bloku se náhodně mění. Tyto změny sledují např. Rayleighovu či Riceho distribuci.
Mnohouživatelský systém MU-MIMO (Multi User MIMO) Jednouživatelský multiplex SU-MIMO (Point-to-Point MIMO) realizují dvě stanice s více anténami; při velkém SNR nabízí SU-MIMO prostorový multiplexní zisk SMG (tj. zvýšení kapacity CSU-MIMO) úměrný výrazu min(N, M), tedy menšímu z počtu antén vysílače N a přijímače M. U malých uživatelských stanic UT je ale počet antén M malý (M ≤ 2...), což kapacitu CSU-MIMO omezuje. Velký zisk SMG také vyžaduje kanál MIMO v dobré kondici, tj. dostatečné vzdálenosti anténních elementů ve vysílači (v BS ≥ 5…10l) i v přijímači (v UT ≥ 0,5l) a výrazné mnohocestné šíření.
Mnohouživatelský multiplex MU-MIMO: nejjednodušší MU-MIMO užívá jedinou základnovou stanici BS s více anténami, která komunikuje s více terminály UT; to zajistí systému velkou buňkovou spektrální účinnost, a to i v případě rozměrově i energeticky ekonomických terminálů UT s jedinou anténou (jejichž kapacita je ovšem malým počtem vlastních antén omezena). • Systém MU-MIMO díky mnohouživatelské diverzitě plní dobře své funkce i v případě kanálů MIMO, které nejsou v dobré kondici a dokonce šíření LOS zde nepředstavuje problém. • Multiplex MU-MIMO na trase DL (MIMO Broadcast channel), při perfektní informaci o stavu kanálu CSIT dostupné ve vysílači, dosahuje nárustu plošné kapacity CMU-MIMO úměrného výrazu min(N, nM), kde n je počet terminálů UT; velký počet n je však přirozený a počet antén vysílače N též není omezen. Díky tomu je plošná kapacita CMU-MIMO mnohem větší, než u SU-MIMO. • Techniku MU-MIMO je možné na trase DL kombinovat s technikou formování svazku BF s maximem směrovaným k cílovým terminálům, což zvyšuje energetickou účinnost, případně s technikou potlačení vyzařování do směrů nežádoucích terminálů UT, což omezuje interference. • U většiny současných systémů MU-MIMO je počet antén na základnové stanici malý (≤ 10), a proto zvýšení spektrální účinnosti je relativně malé. Přesto tato technika je již integrální součástí např. standardů WiFi, WiMAX, LTE/LTE-A apod. Lim et all.: Recent Trend in MU-MIMO in LTE-A. IEEE Com. Mag. March 2013, s. 127-135
Perspektivy anténních systémů 5G: masívní MIMO V systému masívní MIMO resp. LSAS (Large-Scale Antenna System) je počet M antén na BS nejméně o jeden řád větší, než je počet K mobilních stanic MS (M >> K). Díky tomu může BS vysílat nezávislý datový tok ke každé stanici MS ve stejném společném zdrojovém bloku, tedy na stejném frekvenčním kanálu, resp. ve stejném časovém slotu resp. se stejnou kódovou sekvencí. Ke vzájemné izolaci těchto toků se potom využívá prostorový multiplex SM, spočívající v jejich vysílání v podobě ostře směrovaných vyzařovacích svazků, z nichž každý je zaměřen na „svoji“ stanici MS, kterou sleduje i při jejím pohybu. Tato technika, nazývaná mnohouživatelské formování směrových svazků MUBF, se uplatňuje již u standardních systémů MU-MIMO, avšak u koncepce masívní MIMO se právě díky nadměrnému počtu antén v BS objevuje „masívní“ efekt, umožňující aplikaci jednoduchých optimálních lineárních procesních technik (kombinování na max. poměr MRC...). K duplexnímu spojení se zde užívá časový duplex TDD, neboť se u něho snáze získává informace o stavu kanálu CSI, než u duplexu FDD. V praxi má základnová stanice BS v systému LSAS stovky až tisíce dílčích antén; ty mají v milimetrové oblasti (f ≥ 30 GHz, l ≤ 1 cm) velmi malé rozměry, přijatelné pro vnější i vnitřní prostory (outdoor/indoor) malých buněk (pod 200m). M: počet antén na BS K: počet stanic BS
BS
user equipment (UE) specific beamforming. MSK
MS1
MS2
více
masívní MIMO
řadová
válcová
distribuovaná
pravoúhlá
MSK-1
různé konfigurace antén (LSAS)
Přednosti systému masívní MIMO, resp. LSAS (Large-Scale Antenna System) vůči systémuSISO: 1. Systém masívní MIMO podstatně zvyšuje spektrální kapacitu, a to v poměru faktoru min(M, K) 2. Celkový vysílací výkon stanice BS se snižuje úměrně počtu antén M, takže každé zdvojení M snižuje Ptot na polovinu (pro M → se pak blíží Ptot k nule, a to vlivem nekonečného zisku pole 3. Mobilní stanice (MS) vystačí rovněž s menším vysílacím výkonem (vlivem diverzitního zisku) 4. Masívní MIMO odstraňuje mnohouživatelské interference a bílý šum a působení rychlého úniku Hlavní slabinou masívního MIMO je tzv. kontaminace pilotních signálů, nutných v duplexu TDD [1]Marzetta, T. et all, “ Noncooperative cellular... Trans. Wir. Com, Nov. 2010. [2] Shepard, C. et all “Argos: practical... “. Proc. ACM Int. Conf. Mobile Computing, Aug. 2012
Mnohouživatelský systém masívní MIMO Large-Scale Antenna System (LSAS)
U systémů masívního MIMO mohou být anténní prvky na základnové stanici BS uspořádány v různých konfiguracích; typické jsou konfigurace lineární, plošné, cylindrické nebo trojhranné, používá se i koncepce distribuovaná
typická síť masívního MIMO, v níž jediná základnová stanice zajišťuje v celkovém pásmu 20 MHz provoz pro 40 uživatelů, z nichž každý má na DL i UL k dispozici dat. rychlost 17 Mbit/s. Průměrná buňková propustnost je zde 730 Mbit/s/per cell
Systém masívního MIMO (LSAS) je variantou systémů MU-MIMO, vhodnou zejména pro milimetrová pásma a heterogenní koncepce velmi malých buněk (piko...femto). Každá základnová stanice BS zde obsahuje řádově několik stovek elementárních antén, což je zhruba o řád více, než je počet uživatelských terminálů UT v dané buňce. Díky tomu systém dosahuje velmi vysoké buňkové (plošné) spektrální účinnosti. Uživatelské terminály přitom mohou být vybaveny jen jednou anténou. Jelikož počet antén na stanici BS je alespoň o řád větší, než počet uživatelů (UT), systém má k dispozici velký počet stupňů volnosti. Toho lze využít k formování extrémně úzkých vysílaných anténních svazků (BF), s maximy nastavenými individuálně k cílovým terminálům UT, resp. s nulami směrovanými k terminálům interferujícím. To vede k vysoké energetické účinnosti vysílačů na základnové stanici BS. Úměrně rostoucímu počtu antén na stanici BS může také každý terminál UT s jedinou anténou zmenšovat svůj vysílací výkon, a to při zachování stejné funkce (BER...) jako u odpovídajícího systému SISO. Všech těchto atributů lze dosáhnout při jednoduchém zpracování signálů, založeném na vhodném předkódování a detekci s užitím principů přizpůsobeného filtru MF (matched filter), resp. kombinování na maximální poměr MRC, resp. kombinování ZF. Z teorie matic a zákona velkých čísel pak vyplývá, že při kombinování signálů z velkého počtu antén se šum, únik a nedokonalosti hardwaru v rádiovém kanálu společně vyeliminují. Velký počet anténních jednotek na BS také zvětšuje imunitu celého systému vůči případným defektům několika z nich.
Perspektivní technologie pro generaci 5G Nové heterogenní buňkové struktury pro systémy 5G Aplikace milimetrových vln (mmw) v koncepci 5G Systémy s více anténami MAS (MIMO, BF...) Kooperativní techniky RN, DAS, CoMP Technika plného duplexu FDX (SIC)
Klasická a kooperativní radioreléová technika v mobilních sítích DBS
backhaul link access link
Gamal, “Capacity Theorems forthe Relay Channel,” IEEE Trans. Info. Theory, no. 5, Sept. 1979, pp. 572
makrobuňka
odlehlé území pokryté více skoky
access link
RN
RN zlepšené pokrytí okraje buňky
reléová RN buňka
UT
a)
pokrytí zastíněné lokality DBS: Donor Base Station; RN: Relay Node; UT: User Terminal
BS UT1 přenosové cesty s nezávislými úniky
vysílaný originální signál terminálu UT1 vysílaný originální signál terminálu UT2
b)
UT2
Hunter: Cooperative Comm. in Wireless Netw. IEEE Com. Mag, Oct. 2004.
Reléové uzly RN zlepšují pokrytí v zastíněných a dalších kritických oblastech. Zvětšují hustotu infrastruktury celého systému, což vede ke zkracování průměrných vzdáleností přijímač-vysílač a tedy i ke zvyšování poměrů SINR. To se pak projeví ve zvýšené spolehlivosti spojení, ve značném zvětšení kapacity sítě a také v poklesu energetické spotřeby v UT
Dva partnerské uživatelské terminály UT1 a UT2 vysílají svá vlastní data přímo ke společné základnové stanici BS. Každý z nich je však schopen také přijímat signály druhého terminálu a ty předávat, spolu se svými vlastními daty, ke stanici BS. Jsou-li oba terminály dostatečně od sebe vzdálené, potom oba kanály vytvářené určitým terminálem, tedy kanál přímý i předávaný, jsou statisticky nezávislé. Avšak mají-li být příjímány jedinou přijímací anténou, musí být ortogonální, což lze zajistit vhodným prostorově časovým kódem apod. Takto vytvořená „umělá“ vysílací diverzita zdokonaluje pokrytí, spolehlivost přenosu, imunitu vůči únikům a zvyšuje kapacitu.
Mobilní radioreléové uzly v systému 5G Mobilní radioreléový uzel v autobusu, využívající techniku přijímací diverzity makrobuňka
Mobilní radioreléový uzel v rychlovlaku využívající techniku přijímací diverzity
mobilní reléový uzel MRN backhaul link
0,5...3l
access link
UT
Scenarios for Mobile 5G...IEEE Com. Mag. , May 2014, s. 26...
mobilní reléový uzel s měkkým předáváním
Systém 5G by měl zajistit dostupnost nabízených služeb také velmi rychle se pohybujícím uživatelům. V prostředcích hromadné dopravy (autobusy, rychlovlaky apod) budou řešit tento problém mobilní reléové uzly MRN (Mobile Relay Nodes), jež v nich budou fixně zabudovány (on-board). Mobilní uživatelé potom budou komunikovat s vnějším světem jen prostřednictvím těchto uzlů, což jim přinese některé základní výhody. Především jim umožní - díky jejich téměř fixní pozici vůči uzlu MRN a krátkému lokálnímu kanálu - kvalitní komunikaci, a to i při velmi malém výkonu jejich vysílačů. Zásadní význam má potom zjednodušené předávání (handover), které zde totiž realizuje pro celou skupinu uživatelů pouze náležitě dimenzovaný uzel MRN (s velkým vysílacím výkonem, technologií MIMO apod), komunikující se stanicí DBS aktuální makrobuňky, v níž se právě nachází. Tím se odstraní nebezpečí zahlcení sítě velkým objemem signalizace, k němuž by docházelo při současně probíhajícím předávání všemi pohybujícími se uživateli.
Mobilní uzel, nebo skupina uzlů může vytvářet „mobilní síť“, která komunikuje s jinými fixními, nebo mobilními uzly uvnitř své mobilní entity, anebo i s jinými externími sítěmi.
Systém s distribuovanými anténami DAS γ
klasický anténní systém makrobuňky
ztráty šířením v makrobuňce:
PT A L0 .d γ L0 2 PR π
ztráty šířením v mikrobuňce:
PTN / N A/N 2 L0 PR π
PT
γ
BS klasická makrobuňka
a)
celkový výkon v mikrobuňkách:
PTN PT .N.N
redukce výkonu v DAS (DL):
1 PTN N 2 PT
redukce výkonu v UT (UL):
PTN N 2 PT
distribuovaný anténní systém DAS
RAU
γ 2
PT .N
1
γ 2
γ
RAU
RAU
RAU
γ
optické nebo metalické spoje
BS/DRU
b)
mikrovlnný spoj
BS
PT: vysílaný výkon v makrobuňce; PTN: celkový vysílaný výkon v DAS; PR: přijímaný výkon (stejný v makro i DAS); L0: ztráty šířením v referenční vzdálenosti; : exponent ztrát šířením ( = 2...7); d: poloměr makrobuňky; A = d2: plocha makrobuňky; N: počet dílčích buněk v DAS
PTN
BS: Base Station; RAU: Remote Antenna Unit; DRU: Distribution Radio Unit
Na sestupné trase DL i vzestupné trase UL se ztráty šířením v makrobuňce zvětšují s rostoucím a N rychleji, než v mikrobuňce, takže aplikace DAS přináší energetické úspory. Konkrétní hodnoty uvedených redukčních faktorů jsou pro různé hodnoty a N uvedeny v tabulce níže.
N=4
=2
=3
=6
DL
1,00
0,50
0,06
UL
0,25
0,12
0,015
N=7
d2 = A;d 2 = A/
=2
=3
=6
DL
1,00
0,38
0,02
d = d( /2).2 = (A/) 2
UL
0,14
0,05
0,002
PT /PR = L0 (A/) 2
Koordinované mnohabodové vysílání a příjem CoMP (DL) koordinované rozvrhování a formování svazku CS/CB (coordinat. scheduling and coordinated beamforming
dynamická rychlá selekce buňky DCS (taktéž DPS) (dynamic cell selection / dynamic point selection)
JT
DCS
CS/CB TP2
TP1
společné vysílání JT ze dvou sousedících buněk (joint transmission either) coherent nor noncoher.)
TP1
TP2
TP1
rychlá selekce
UT1
UT: příjem jediného TP
UT2
a)
kombinování
TP2
UT: příjem obou TP
c)
b)
Tao, X.: An Overview of Coop. Com., Com. IEEE Com. Mag., June 2012, 65 Coordinated Multipoint IEEECom. Mag., Febr.s.2012, s. 148
Díky vhodnému centrálnímu rozvrhování může každý vysílací bod TP tvarovat svůj vyzařovací diagram tak, aby jeho maximum směřovalo pouze k jeho terminálu UT; ve směru druhého terminálu má diagram nulu, takže interference jsou zde potlačeny.
pro daný terminál mají oba body TP jeho data. Tato data však vysílá vždy jen jediný z nich, a to ten jehož rádiový kanál má momentálně lepší parametry. Přepínání mezi body TP probíhá relativně velmi rychle (v intervalech řádu milisekund).
stejná data se vysílají z více bodů TP současně k jedinému uživatelskému terminálu UT, kde se koherentně, nebo nekoherentně kombinují.
Perspektivní technologie pro generaci 5G Nové heterogenní buňkové struktury pro systémy 5G Aplikace milimetrových vln (mmw) v koncepci 5G Systémy s více anténami MAS (MIMO, BF...) Kooperativní techniky RN, DAS, CoMP Technika plného duplexu FDX (SIC)
Mnohonásobný přístup TDMA/FDMA a frekvenční duplex FDD v systému GSM Mnohonásobný přístup TDMA/FDMA Realizace fyzických kanálů ve vysílači GSM fyzický kanál, určený frekvencí fn+1 a časovým slotem 0 (TSL0)
spojitý hovorový signál
frekvence
komprimovaný burst ve slotu TSL3 f n+1
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
fn
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
f n-1
8 x 0,577 = 4,615 rámec TDMA
slot TSL 0,577
GSM kanál BG = 200 kHz
t [ms]
maximální uživatelská přenosová rychlost v jednom slotu za 1 sekundu RTSL= 22,8 kbit/s
Frekvenční duplex FDD (GSM900) partnerské kanály Tx/Rx - duplexní odstup D fDX = 45 MHz 45 MHz 20MHz 200 kHz 890 MHz trasa UL, šířka pásma BUL = 25 MHz 124 kanálů o šířce pásma 200 kHz
960 MHz 935 MHz trasa DL, šířka pásma BDL = 25 MHz frekvence f 124 kanálů o šířce pásma 200 kHz
915 MHz
duplex FDD: trasy UL a DL mají své individuální nosné vlny, partnerské spojení využívá dvě nosné s duplex. odstupem 45 MHz
Frekvenční duplex FDD (standard GSM) a časový duplex TDD (standard UMTS) partnerské kanály - duplexní odstup Tx/Rx = 45 MHz 200 kHz
duplex FDD (GSM)
890 MHz
25 MHz
915 MHz
vzestupná trasa UL, šířka pásma BUL = 25 MHz 124 kanálů, o šířkách pásma Bch = 200 kHz
935 MHz
960 MHz
sestupná trasa DL, šířka pásma BDL = 25 MHz 124 kanálů, o šířkách pásma Bch = 200 kHz frekvence f 1 časový rámec
počet slotů DL : UL
duplex TDD (UMTS)
společné frekvenční pásmo DL/UL pro sestupnou trasu i pro vzestupnou trasu
4:1 14 : 1
asymetrický přenos
1:1
sestupná trasa DL čas t
b)
vzestupná trasa UL
frekvenční duplex FDD (frequency division duplex) se uskutečňuje tak, že komunikace v obou směrech probíhá na dvou různých frekvencích; tento systém je typický pro analogové systémy a pro digitální systémy s větším dosahem (buňkové sítě ap). časový duplex TDD (time division duplex) využívá k přenosu v obou směrech jedinou nosnou vlnu, přičemž každému z obou kanálů je přidělena samostatná časová štěrbina - slot; uvedený způsob přenosu je typický pro rádiokomunikační systémy s malým dosahem, jako jsou např. bezšňůrové telefony apod.
Věrný plně duplexní provoz v jediném pásmu: IBFD slabý přijímaný RF signál rušení
silný vysílaný RF signál totožná pásma
přijímaný signál kanál 1
analogová kompenzace vys. signálu v RF pásmu
vysílač DAC
rádiová stanice (transceiver)
přijímač ADC
vysílaná data
adaptivní frekvenční duplex FDD: flexibilně určuje který kanál bude vysílán resp. přijímán
přijímaný signál Hong S.: Applic. of Self-Interference Cancellation in
digitální kompenzace v BB
přijímaná data
kanál 2
vysílané vlastní interference kanál 1
a)
plný duplex v pásmu: zdvojnásobuje spektrální kapacitu určitého daného kanálu
vysílané vlastní interference
5G and Beyond. IEEE Com. Mag. Febr. 2014, s. 114
kanál 2
b)
a) Systém, umožňující věrný plně duplexní provoz v jediném pásmu IBFD (true in-band full duplex) a souběžně v čase, je založený na technice potlačení vlastních interferencí SIC (self Interference cancelation). Vlastní vysílaný signál vchází přes anténní výhybku (duplexer) do antény a je řádně vysílán. Avšak vlivem nedostatečné izolace této výhybky směřuje i na vstup přijímače, v němž by způsoboval neúnosné rušení. Proto je zde kompenzačním obvodem, ještě v analogové vysílané podobě, předběžně potlačován. Zbývající potřebné potlačení je realizováno po demodulaci již v digitálním traktu přijímače. Oproti duplexům FDD, TDD a CDD popisovaný systém na bázi SIC vystačí s poloviční šířkou pásma. b) Systém IBFD/SIC, kde vysílač i přijímač má samostatnou anténu, což zlepšuje jejich izolaci. Popisovanou techniku SIC lze aplikovat také u běžného duplexu FDD, kde vysílané a přijímané signály využívají frekvenčně oddělené kanály. K potlačení případných interferencí částečně rušících přijímaný signál - potom slouží softwarově konfigurovatelný adaptivní duplexer podle obr. b, umožňující vysílání a příjem signálů v libovolně frekvenčně rozdělených kanálech.
Celková koncepce systému 5G
Perspektivní architektura sítě 5G masívní MIMO
reléová víceskoková komunikace BS makrobuňka
pokročilá meziuzlová koordinace CoMP BS makrobuňka
BS mikrobuňky
masívní strojová komunikace (MMC)
komunikace D2D
síťové kódování
mobiilní reléový uzel Scenarios for Mobile 5G...IEEE Com. Mag. , May 2014
Koncepce budoucí sítě 5G, ve které se uplatňují hlavní technologie, popisované v předchozích odstavcích. Základem jsou základnové stanice BS dvou makrobuněk. Nachází se zde také základnová stanice využívající techniku masívní MIMO, je zde uplatněna pokročilá meziuzlová koordinace CoMP a strojová komunikace M2M s extrémně vysokým počtem uzlů (MMC tj. massive machine communications). Densifikaci sítě podporuje velký počet malých buněk s progresívním síťovým kódováním a s jedno i víceskokovou reléovou komunikací, jakož i komunikací D2D. Mobilním uživatelům budou zajišťovat i při vysokých rychlostech vysokou kvalitu služeb QoS mobilní radioreléové uzly MRN.
Typický uživatelský terminál pro systém 5G
Uživatelský terminál UT pro systém 5G by měl zvládat následující požadavky: ● zcela nové technologie rádiového přístupu 5G RAT, ale také starší „dědické“ technologie všech tříd: UMTS/HSPA, WiFi, Bluetooth, LTE-A/LTE-B; podpora navigačních systémů GPS, GLONASS, Galileo aj. ● podpora multianténních technik MAS: SU-MIMO, MU-MIMO, masivní MIMO, DAS, LOS MIMO.. ● podpora všech aktuálních frekv. pásem (41 pásem pro LTE/FDD/TDD/CA2/CA3; milimetrová pásma..) ● podpora pokročilého managementu interferencí AIM, s aktivní účastí UT ● široká paleta terminálů UT jak pro komunikaci H2H (oblekové, kapesní...tablety ...), tak M2M a D2D
Systém 5G: rádiová přístupová síť RAN a jádro sítě CN Společný management a transport
společné funkcionality jádra sítě 5G flexibilní rozvinutí síťových funkcí
optimalizace služeb
nové přístupové sítě 5G
využití virtualizace síťových funkcí NFV
sítě se současnou technologií RAT
využití softwarově defin. sítí SDN
fixní přístup metal./optický
mmW síť 5G nová síť 5G: UFMC.. 3 GHz
10 GHz
30 GHz 100 GHz
Rádiová přístupová síť RAN 5G bude směsicí síťových vrstev různých dimenzí, různých vysílacích výkonů, technik spojů ve fixní infrastruktuře, rozličných technologií rádio- vého přístupu RAT atd. Základní přístup do systému bude zajišťovat nová rádiová přístupová síť RAN, alespoň částečně slučitelná se sítí LTE/LTE-A. Přístup by však měl být umožněn i starším technikám RAT (legacy RAT), zahrnujícím buňkové standardy GSM (2G), UMTS/HSPA (3G), lokální rádiové sítě WiFi, metropolitní sítě WiMAX atd. Nezbytný ovšem bude i přístup do tradičních fixních sítí. Jádro sítě 5G bude podporovat optimalizaci dosavadních služeb, jako je distribuce televizních programů a dalších audio/video kontentů (MBMS) a rychlých dat. Dále musí umožnit flexibilní rozvinování nových síťových funkcí, k nimž patří například pokročilá strojová komunikace MMC a přímá komunikace D2D, komunikace s vysokým stupněm zabezpečení, aplikace jenž vyžadují extrémně nízkou latenci přenosu apod. Jádro sítě 5G také musí efektivně zužitkovat probíhající evoluci v softwarově definovaných sítích SDN.
Globální produkce emisí CO2 v letech 2007 až 2020 • V období let 2007 až 2020 se zvětší datový provoz mobilních sítí o cca 3 řády tj. 1000 krát, a to z 0,8 MilT bytů v roce 2007 na cca 500 MilTbytů v roce 2020. • Přitom počet laptopů, netbooků apod. naroste z 23 Mil na cca 500 Mil., avšak počet základnových stanic se jen ztrojnásobí; kapacita těchto zařízení však enormně vzroste. • Počet terminálů pro komunikaci M2M (MTC) bude v roce 2020 nejméně o jeden řád větší, než počet konvenčních terminálů pro klasickou komunikaci H2H. • Spotřeba elektrické energie díky razantnímu prosazování „zelených technologií“ se zvětší podstatně mírněji. Nejvýraznější úspory se objeví u přístupových sítí RAN.
Shrnutí:v letech 2007 až 2020 dojde v mobilních sítích k explosívnímu nárustu jejich kapacity (intenzity provozu), k řádovému zvětšení uživatelské datové rychlosti a ke stejnému snížení
Různé koncepce koncových stupňů vysílačů OFDM Roční emise CO2 u tří různých typů výkonových RF zesilovačů Parameters
Traditional technology
Doherty technology
Envelope tracking
Power ampl. efficiency
15%
25%
45%
Power consumption
51.7 MW
27.2 MW
16.1 MW
Power cost USD
54.3 M
28.6 M
17.0 M
CO2 emission/per year
194,600 tons
102,400 tons
60,800 tons TATRA 158 Phoenix délka 783 cm
Dohertyho zesilovač
Zesilovač s adaptivním ss napájením (envelope tracking) OFDM signal
a)
power dissipated as heat
fixed supply voltage
OFDM signal
b)
variable supply voltage
power dissipated as heat
Věž pro základnovou stanici buňkových systémů s napájením realizovaným pomocí Fibonacciho větrné turbíny Wind-powered turbine for Ericsson Tower Tube Ericsson is developing a wind-powered Tower Tube in cooperation with the University of Uppsala and Swedish Vertical Wind AB. A striking feature of the wind-powered RBS site solution is that it incorporates a turbine that revolves on a vertical axis (the tower being the “axis”) instead of spinning on a horizontal axis like a traditional wind mill-like turbine. A prototype of a wind-powered Tower Tube is already in place in Uppsala, Sweden. When the product is ready for market, the 40-meter tower will contain a fully integrated RBS solution including batteries and a diesel generator for backup. It is easier to fit on the tower without interfering with the antennas It will work without a control system regardless of wind direction. The design works with very few moving parts. The stator part is fitted directly on the tower, like a ring on a finger and the turbine is mounted directly on the rotating armature. Vertical-shafted turbines are relatively very quiet compared with traditional propellers. Propeller blades often use mechanical adjustments to compensate for strong or weak wind, and the propeller has to be turned into the wind for optimized function. This functionality is redundant for a verticalshafted wind turbine design.
Naši učitelé a příznivci radiotechniky Akademik Dr. Ing. J. Stránský, DrSc. (13. 2. 1900-25. 12. 1983) Josef Stránský se narodil r. 1900 v Čakovicích u Prahy. V r. 1923 ukončil svá studia na ČVUT a získal tím titul inženýra (Ing). V letech 1923 až 1925 pokračoval ve studiu v Paříži na Ecole Superieure dÉlectricite kde získal další titul Ingenieur radiotelegraphiste. V období let 1923 až 1936 byl stavbyvedoucím vysílačů francouzské firmy Standard Electronic Corp. Paris. V rámci tohoto zaměstnání mj. vedl výstavbu nového středovlnného vysílače Praha 1 v Českém Brodě (dokončeno v r.1930, výkon 120 kW). Od roku 1937 se jeho působení postupně přesouvalo na akademickou půdu. V roce 1937 založil na ČVUT Ústav radiotechniky, v roce 1950 stál u zrodu nové, samostatné Elektrotechnické fakulty ČVUT a podobně v roce 1953 s jeho významnou pomocí vznikla Fakulta Slaboproudé techniky v Poděbradech. Kromě své pedagogické činnosti, ve které pokračoval až o svého vysokého věku, působil v řadě domácích institucí z oblasti slaboproudé elektrotechniky, byl např. zástupcem vědeckého kolegia ČSAV v UNESCO, napomáhal vzniku Ústavu radiotechniky a elektroniky ČSAV atd. Významná je i jeho publikační činnost, z níž je nutné připomenout jeho mimořádné knižní publikace "Základy radiotechniky" z r. 1941 a "Vysokofrekvenční elektrotechnika" z r. 1956. Profesor Stránský však byl nejen vynikajícím odborníkem, ale i vzorem ušlechtilého, důstojného a skromného člověka.
Prof. RNDr. J. Forejt, DrSc. (1991)
Ing. Milan Český, CSc (1981)
byl v roce 1953 jedním z hlavních zakladatelů Fakulty slaboproudé elektrotechniky (FSE) v Poděbradech a od tohoto data až do r. 1960 také jejím děkanem. Na poděbradské fakultě byl rovněž vedoucím Katedry elektroniky. Po přechodu fakulty do Prahy v r. 1964 se započal věnovat předmětu Lékařská elektronika. Svými zásluhami o založení Fakulty slaboprou dé elektrotechniky v Poděbradech a také o její počáteční velice úspěšný rozvoj, Profesor J. Forejt, DrSc výrazně přispěl k odborné výchově domácích odborníků v celé oblasti slaboproudé techniky i v počátcích naší lékařské elektroniky
vystudoval Vojenskou akadémii v Hranicích, za 2 sv. války byl činný v odboji, uvězněn, těsně po válce byl opět internován. Pak pracoval v domácím slaboproudém průmyslu a výzkumu. Zde se věnoval problematice tv antén a také otázkám nastupující družicové televize. Byl autorem celé řady odborných knižních publikací, zaměřených většinou na otázky vysílání a příjmu signálů pozemských a družicových tv systémů.
Georg Rysavy: 3G – 4G Americas
Sklar B.: Digital Radiocommunication
Cox, C.: An Introduction to LTE
