Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies.


25.10.2019

Skalowalna infrastruktura

Red Hat OpenStack Platform 15
25.10.2019

Cienki klient 2.0

Windows Virtual Desktop
25.10.2019

Nowy sprzęt Microsoftu

Rodzina Surface się powiększa
24.10.2019

Serwery ARM

Oracle stawia na Ampere Computing
24.10.2019

Wszechstronny i elegancki

Dell XPS 15
10.10.2019

CYBERSEC EXPO - największe w...

Bezpieczeństwo cyfrowe nie jest problemem dotyczącym jedynie działów IT. Obecnie stanowi...
30.09.2019

Nowości w wirtualizacji

VMware World 2019
30.09.2019

Bezpieczeństwo mobile-first

Android 10

Porównanie warstwy fizycznej technologii 5G i 4G

Data publikacji: 04-07-2019 Autor: Kamil Musiał
Rys. 1. Modulacje

W niniejszym artykule opisujemy podstawowe cechy warstwy fizycznej technologii LTE oraz 5G pod kątem potrzeb, jakie stawia przed tymi technologiami dzisiejszy rynek telekomunikacyjny. Łatwo będzie zauważyć, że nowe możliwości oferowane przez technologię 5G są w dużej mierze wynikiem rozszerzenia funkcji znanych już z LTE.

 

Odpowiadając na aktualne oraz przyszłe potrzeby rynku, 5G w warstwie fizycznej dostosowało odległość między poszczególnymi podnośnymi do wykorzystanych częstotliwości. Obsługiwane są również szersze zakresy częstotliwości – używanie pasma 2 GHz zamiast 20 MHz jest w stanie, przynajmniej w teorii, podnieść prędkość wysyłanych danych 100-krotnie. Dzięki zastosowaniu Massive Mimo oraz związanych z nim nowych funkcji 5G zostaną poprawione prędkość i jakość przesyłanego sygnału.

> OD POCZĄTKU DO STANU OBECNEGO

Pomysł na stworzenie systemu komunikacji miał swój początek w latach 40. XX wieku w laboratoriach firmy Bell Telephone Company w USA, jednak dopiero 40 lat później zaczęły działać pierwsze radiotelefony. W 1982 r. została założona grupa o nazwie Groupe Speciale Mobile (GSM), której zadaniem było utworzenie standardu telefonicznego dla Europy Zachodniej. Wkrótce powstała pierwsza technologia o nazwie 1G, oparta na założeniach GSM będących jeszcze w trakcie opracowywania. Standard ten działał w technologii analogowej na paśmie 900 MHz z prędkością 2,4 kb/s. Poza oczywistą nowatorską funkcją, czyli możliwością wykonywania połączeń głosowych, miał niestety wiele wad w postaci bardzo ograniczonej transmisji danych i niskiego poziomu bezpieczeństwa. W kolejnych latach rozwój komunikacji bezprzewodowej doprowadził do doprecyzowania i wprowadzenia standardu GSM.

W 1992 r. powstał następca poprzedniego standardu, czyli sieć 2G, która miała do zaoferowania wiele nowości w zakresie technologii użytkowej, np. po raz pierwszy można było wysyłać SMS-y, a dzięki większej prędkości przesyłania danych na poziomie 64 kb/s (po unowocześnieniach do 1 Mb/s) poprawiła się znacząco także jakość połączeń głosowych – to już technologia cyfrowa. Technologia 2G ma do dziś szerokie zastosowanie i okazała się na tyle udaną generacją, że prawdopodobnie będzie używana jeszcze przez wiele lat.

Naturalną koleją rzeczy było wprowadzenie standardu 3G, który oferował prędkość na poziomie do 14 Mb/s, a w późniejszym czasie nawet do 28 Mb/s. Taka prędkość pozwalała na przesyłanie wideo oraz korzystanie z internetu, czym zapoczątkowała nowy standard w projektowaniu smartfonów łączących funkcje telefonu z rozbudowanymi multimediami. Niestety sieć okazała się stosunkowo droga i nie tak bardzo wydajna, jak początkowo sądzono. Z tego powodu prawdziwa rewolucja rozpoczęła się dopiero w 2008 r., wraz z wprowadzeniem technologii LTE. Jako nowoczesny standard nastawiony głównie na transfer danych oferowała ona całkiem nowe możliwości, takie jak transfer do 100, a w późniejszych Release’ach do 300 Mb/s. Po raz pierwszy internet mobilny wyprzedził pod względem prędkości internet stacjonarny.

Obecnie odnotowuje się dynamiczny wzrost liczby nowych użytkowników i 11 lat po rewolucji, jaką wprowadziła generacja LTE, jej możliwości są już niewystarczające. Prekursorami globalnych potrzeb użytkowników stały się kraje azjatyckie, w których odnotowuje się najszybszy rozwój i chęć korzystania z nowych technologii. To właśnie tam rodzą się nowe potrzeby i pomysły na rozwój technologii.

Wraz z upowszechnieniem technologii – takich jak drony, internet rzeczy (IoT), wysoce wyspecjalizowane urządzenia medyczne, roboty wspierające przemysł, Przemysł 4.0, aż po autonomiczne pojazdy – pojawiły się nowe potrzeby, których do tej pory nie brano pod uwagę: potrzeba niezawodności przesyłu informacji oraz potrzeba obsługi tysięcy bądź nawet milionów urządzeń w ograniczonej przestrzeni, np. w hali produkcyjnej.

> BEZPRZEWODOWA TRANSMISJA DANYCH

Dane przechowywane na twardych dyskach bądź w internecie są zapisane w postaci cyfrowej – każdy film, zdjęcie, muzyka to tak naprawdę ciąg bitów, czyli wartości zero-jedynkowych. Przewodowy przesył to zadanie względnie proste, ponieważ dane te są przesyłane w postaci danych cyfrowych, dzięki czemu transmisja jest stabilna i odporna na zakłócenia. Jak mawiają specjaliści ds. sieci: „co kabel, to kabel”. Przykładowo w 2018 r. zakończono budowę światłowodu transatlantyckiego o przepustowości 160 Tb/s łączącego Virginia Beach w USA z Bilbao w Hiszpanii. Wyzwanie dla telekomunikacji stanowi transmisja bezprzewodowa. Gdy informacje są wysyłane w powietrzu (air interface), cyfrowo zapisane dane muszą zostać „zakodowane” przez analogową falę elektromagnetyczną. „Zakodowanie” informacji cyfrowych, czyli konkretnych bitów danych, nosi nazwę modulacji.

Otaczające nas fale elektromagnetyczne mają kształt sinusoidy. Każda fala sinusoidalna odznacza się trzema parametrami: amplitudą, częstotliwością oraz przesunięciem fazowym. Modulacja polega na celowej zmianie parametrów sygnału, co umożliwia zapisanie w niej danych cyfrowych. Na rys. 1 przedstawiono podstawowe modulacje. Aby przesłać dane cyfrowe za pomocą fali elektromagnetycznej, można użyć modulacji amplitudowej (amplitude modulation – AM), modulacji częstotliwościowej (frequency modulation – FM), modulacji fazowej (phase shift modulation – PM) bądź ich kombinacji.

W technologii LTE oraz 5G wykorzystywane są modulacje amplitudowa oraz amplitudowo-fazowa, co oznacza, że aby zapisać pożądaną informację w fali elektromagnetycznej, zmieniane są jej faza oraz amplituda. Przykładowo do przesyłania sygnału radiowego radia publicznego używana jest modulacja częstotliwościowa – FM. Transmisja odbywa się za pomocą tzw. podnośnych. Oznacza to, że dane są wysyłane jednocześnie przez wiele fal różniących się między sobą pod względem częstotliwości.

> PHYSICAL RESOURCE BLOCK

W technologii LTE zostało wprowadzone pojęcie Physical Resource Blocku (PRB) (rys. 2), który – jak nazwa wskazuje – definiuje pewną porcję zasobów. Jeden Resource Block określa 12 podnośnych w czasie 0,5 ms i jest złożony z symboli – odpowiednio zmodulowanych fragmentów podnośnej kodujących daną ilość informacji. Najmniejsza „paczka” zasobów, jaka może zostać przydzielona do danego użytkownika, to 2 PRB (12 podnośnych w czasie 1 ms). Z tego względu niektóre źródła podają tę wartość jako 1 PRB. Można również spotkać źródła mówiące, że 1 PRB = 2 PRB, co oczywiście nie jest prawdą.

W zależności od warunków radiowych mogą zostać użyte różne modulacje kodujące określoną liczbę bitów w jednym symbolu. Modulacja fazowa QPSK umożliwia przesłanie 2 bitów na symbol. Wyższe modulacje amplitudowo-fazowe – 16 QAM oraz 64 QAM – pozwalają przekazać odpowiednio 4 oraz 6 bitów na symbol. W Releasie LTE 12.3 wprowadzono modulację 256 QAM kodującą 8 bitów na symbol, a w Releasie 15 modulacje 1024 QAM – 10 bitów na symbol.

 

> CYCLIC PREFIX

W bezprzewodowym przesyle danych – w przeciwieństwie do wspomnianego kabla – występuje zjawisko wielodrogowości. Sygnał wysyłany (np. przez stację bazową) odbija się od różnych przeszkód, w efekcie czego ta sama informacja dociera do odbiornika kilkakrotnie z różnym opóźnieniem. Z tego powodu przed każdym symbolem jest wysyłany Cyclic Prefix (CP) (rys. 3) – koniec danego symbolu jest kopiowany na początek, co pozwala odpowiednio odczytać wysyłany symbol przy zjawisku wielodrogowości. Rozróżniamy dwa rodzaje Cyclic Prefiksów – standardowy oraz rozszerzony (extended).

Resource Block w LTE jest zdefiniowany i zawsze taki sam. Czas trwania jednego symbolu to 66,66 μs. Czas trwania standardowego Cycle Prefiksu to 4,7 μs (5,2 μs przed pierwszym symbolem w Resource Blocku), a rozszerzonego 16,67 μs. Resource Block, w zależności od użytego CP, zawiera 12 podnośnych po 6 lub 7 symboli każda (rys. 4), a odległość między podnośnymi w zakresie częstotliwości (subcarrier spacing) wynosi 15 kHz. Rozwiązanie to sprawdza się dla częstotliwości wykorzystywanych w LTE, czyli od 450 MHz do 3,7 GHz.

 

[...]

 

Specjalista ds. integracji oprogramowania z 4-letnim doświadczeniem w pracy z technologiami LTE oraz 5G. Zajmuje się zagadnieniami związanymi z zarządzaniem zasobami radiowymi oraz integracją nowych funkcji w 5G. 

Artykuł pochodzi z miesięcznika: IT Professional

Pełna treść artykułu jest dostępna w papierowym wydaniu pisma.

.

Transmisje online zapewnia: StreamOnline

All rights reserved © 2019 Presscom / Miesięcznik "IT Professional"