Älypuhelinverkkojen 5G
Otto Reinikainen & Hermanni Rautiainen
Johdanto [1][2]
• Viimeisen 30 vuoden aikana mobiiliverkkojen markkinaosuus on
kasvanut merkittävästi
• Langattomia laitteita on joillain alueilla jopa enemmän kuin väestöä
• Mobiililaitteiden määrän kasvun vuoksi on tarvetta kehittää
tiedonsiirtotekniikoita
• Tarkoitus palvella nopeasti mahdollisimman montaa käyttäjää
mahdollisimman energia- ja kustannustehokkaasti
• Esimerkiksi 4G-verkkoa suunniteltaessa energiatehokkuutta ei
mietitty
• 5G-verkko saapunee mahdollisesti vuonna 2020 kuluttajakäyttöön
Vaatimukset [1]
• Nopeus: 0.1 – 1Gbps (loppukäyttäjälle)
• Yhteyksien määrä: 1000000 / km^2
• Päästä-päähän verkkoviive: <= 1ms
• Liikenteen määrä: kymmeniä gigabittejä / km^2
• Liikkuvuus: sietää yli 500km/h nopeuksia
• Piikkisiirtonopeus: kymmeniä gigabittejä sekunnissa
• Spektrin käyttö: 5-15 kertaa tehokkaampaa
• Energiatehokkuus: 100 kertainen
• Kustannustehokkuus: 100 kertainen
Arkkitehtuuri [2]
• 2 käyttötapausta: ulko- ja sisäkäyttö
- Signaalin vaimennus pyritään minimoimaan
- Sisätiloissa hyödynnetään rakennuksessa olevia laitteita ja yhteyksiä
- Sisätiloissa olevat laitteet antavat mahdollisuuden käyttää sellaisia tekniikoita,
joita ei voitaisi muuten käyttää esim. UWB (ultrawide bandwidth) ja VLC
(visible light communications). Näitä ei voida perinteisesti käyttää, koska
penetroituvat huonosti seinien läpi.
- Ulkokäyttö perinteiseen tapaan käyttämällä mastoja
- Siirrytään FDD (frequency division duplex)-> TDD (time division duplex)–
arkkitehtuuriin
5G-verkon tekniikat [2]
• MIMO (multiple input – multiple output) -koostuu useista antenneista, jotka
lähettävät ja vastaanottavat samaan aikaan
• Massive-MIMO: lähettimissä ja vastaanottimissa suuri määrä antennielementtejä
(10-100)
• Monilla antenneilla saavutetaan suurempi siirtonopeus ja spektritehokkuus, sillä
häiriön määrä vähenee
• Sisäkäytössä voidaan käyttää VLC (visible light communication), WiFi tai UWB tekniikoita
• DAS (distributed antenna system): antennit voidaan jakaa dynaamisesti käytön
mukaan esim. yhdelle tai useammalle päätelaitteelle
• Smart antenna teknologia
• Testeissa käytetty muun muassa 15Ghz taajuuksia [1]. Lopullisista taajuusalueista
ei ole vielä varmuutta.
FDD ja TDD
• Langattomissa verkoissa 2 duplex-muotoa: FDD ja TDD
• Perinteisesti langattomissa verkoissa on jouduttu käyttämään eri
taajuuksia lähetykselle ja vastaanotolle (FDD).
• Tämä on suuri ongelma, sillä sopivia taajuusalueita ei ole riittävästi suurien
nopeuksien muodostamiseksi
• Taajuusaluetta ei voida nostaa hirveästi häiriöiden takia
• FDD (frequency division duplex) kaistanleveys jää pienemmäksi, sillä
käytettävissä oleva taajuusalue joudutaan jakamaan lähetyksen ja
vastaanoton kanssa
• TDD (time division duplex) käyttää sekä lähettämiseen että
vastaanottamiseen samaa taajuutta
TDD (TD-SCDMA)
• Jokainen lähetettävä radiokehys on 10ms pitkä
• Kehys jaetaan kahteen 5ms lohkoon
• Jokainen puolikas sisältää UL (upload) ja DL (download) aikaa sekä
erikoiskehyksen, jolla ajankäyttöä kontrolloidaan
• 5G-verkon tapauksessa UL ja DL kehysten määrää voidaan muokata
dynaamisesti aina tarpeen mukaan. Esim. jos hetkillisesti tarvittaisiin
enemmän lähetysnopeutta, voitaisiin DL-kehyksiä vähentää ja ULkehyksiä lisätä
Smart antenna -tekniikka [1]
• Mobiiliyhteyksissä häiriö on suurin pullonkaula
• Tukiasema saa päätelaitteelta tietoja laitteesta
• Tietojen perusteella voidaan kohdistaa signaali päätelaitteelle päin
• Tekniikan avulla saadaan parempi peitto ja energiatehokkuus
• Ei tarvita lähettää täydellä teholla joka suuntaan
• Vähemmän häiriöitä
• Parempi liikkuvuus vähemmän häiriön vuoksi
Tutkimus aiheesta [3]
• Tutkimusta aiheesta tehneet muun muassa Ericsson, Huawei, NSN ja
Samsung
• Tutkimus aloitettu jo vuonna 2013
• Laboratoriossa saavutettu jo huikeita nopeuksia (5Gbps, 15Ghz
taajuudella)
• Vasteajat testeissä noin 5ms
• Toimijat ovat suunnilleen yhteisymmärryksessä vaatimusten suhteen
Yhteenveto
• Jaetaan ulko- ja sisäkäyttö erilleen
• Sisällä voidaan käyttää suurempaa kirjoa nopeita tekniikoita tiedonsiirtoon
• Ulkona käytetään perinteiseen tapaan mastoja
• Tavoitteena olla mahdollisimman energiatehokas
• Suurempi energiatehokkuus voidaan saavuttaa muun muassa smart antenna
tekniikalla
• Energiatehokkuus suunnittelussa tärkeä ominaisuus
• Kuluttajakäyttöön tulevan 5G-verkon tarkat tekniset ominaisuudet vielä epäselviä
• Tavoitteena korkeat nopeudet (>= 1Gbps) ja pieni viive (<=1ms)
• Vaatimuksia ja tekniikkaa kehitetään vielä
• Saapuu yleiseen käyttöön arvioiden mukaan vuoteen 2020 mennessä
Lähteet
• [1] Chen, Shanzhi, et al. "A comprehensive survey of TDD-based
mobile communication systems from TD-SCDMA 3G to TD-LTE (A) 4G
and 5G directions." Communications, China 12.2 (2015): 40-60.
• [2] Wang, Cheng-Xiang, et al. "Cellular architecture and key
technologies for 5G wireless communication networks."
Communications Magazine, IEEE 52.2 (2014): 122-130.
• [3] Intelligence, G. S. M. A. "Understanding 5g: Perspectives on future
technological advancements in mobile." GSMA Intelligence
Understanding 5G (2014): 3-15.