Systémy veřejné mobilní komunikace páté generace (5G)

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
cost
rádiový
kanál
BRF = 5 MHz
fb >> fc
BPSK
data
výstup
fb
nosná
cost
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 

 4d 
2
 c 
 PtGtGr 

 4df 
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 

 4d 
Pr  l  2


Pt  4d 
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=(4d/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
 4d
Friisův vzorec pro zisk kanálu šíření (při ziscích antén Gt = Gr = 1):
Pr
zisk kanálu šíření

1
f2
, avšak zisk antény
 f2 
 l 


Pt  4d 
G
4 A eff
λ2
2




2
 c0 


 4df 
 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
váhydB
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 l2.
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= 1ej1
s0
n1
vysílač
h2= 2e
j2
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, - s2, ...
modulace
OFDM
h1 = 1e j 1
n1+n 2
h2 = 2e j 2
s 2, s1, ...
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
ŝ2 ~
s 1  (12  22 ) s1  h1n1  h2 n2
s~2  (12  22 ) s2  h1 n2  h2 n1
ŝ1
obecné kódovací schéma
s n , s n  1   sn  1 , sn
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