Госпредприятие НИИР подготовило план строительства в России сетей 5G. Сети будущего поколения предлагается строить на базе трехуровневой иерархии — округ/регион/город. Они также должны будут поддерживать три типа сетевых слоев для различных сценариев применения 5G.
Три сценария применения 5G
Госпредприятие «Научно-исследовательский институт Радио» (НИИР) подготовило проект концепции строительства в России сетей следующего, пятого поколения сотовой связи (5G). Документ (имеется в распоряжении CNews) описывает пути строительства сетей 5G с учетом различных сценариев применения будущих технологий.
В сетях 5G будет три основных сценария применения. Первый из них — усовершенствованная подвижная сеть eMBB (Enhanced Mobile Broadband) — представляет собой развитие технологий мобильного интернета.
Данная технология предоставляет услуги, ориентированные на человека, и обеспечивает доступ к мультимедийному контенту: Ultra-HD, 3D-видео, онлайн-игры, виртуальная и дополненная реальность, расширенные сервисы социальных сетей, облачные сервисы, музыка в реальном времени, вещание. Для работы eMBB необходимы мультигигабитные скорости передачи данных, энергоэффективность и эффективность использования спектра.
Другой сценарий — крупномасштабные системы межмашинных коммуникаций (MIoT, Machine Type Communication). Данный сценарий применим для работы большого количества подключенных устройств, передающих относительно небольшой объем данных, не столь чувствительных к задержкам
Пример разделения опорной сети 5GC на сетевые слои
Он будет применяться в энергетике, транспорте, здравоохранении, торговле, общественной безопасности, промышленности, ЖКХ, беспилотных транспортных системах. Для работы этого сценария необходима низкая стоимость абонентских устройств при поддержке большой зоны охвата и продолжительного времени работы устройства от батареи.
Третий сценарий применения сетей 5G — сверхнадежная передача данных с малой задержкой (URLLC, Ultra-Reliableand Low Latency Communications). Данный сценарий предъявляет высокие требования к пропускной способности, задержкам и готовности.
Он будет использоваться для беспроводного управления промышленными и производственными процессами, дистанционной медицине, автоматизации распределения энергии в умных электросетях, общественной безопасности, умных домах и городах, интеллектуальных транспортных средствах и внедрениях интеллектуальной дорожной инфраструктуры на базе V2X (Vehicletoeverything, подключение автомобиля к любому объекту в сети).
Агрегация частот и спецменеджер частот
В 5G будет использовать целый набор доступных частотных диапазонов. Частоты в диапазоне ниже 1 ГГц, в частности 694-790 МГц, будут применяться за пределами крупных городов благодаря большой зоне покрытия. Частоты в диапазонах от 1 ГГц до 6 ГГц, в частности 4.4-3,8 ГГц, 4,4-4,99 ГГц и 5,9 ГГц, обеспечат покрытие крупных городов.
Частоты в миллиметровом диапазоне (выше 24 ГГц) — 24-29,5 ГГц, 30-55 ГГц, 66-75 ГГц, 81-86 ГГц, будут пригодны для точечного покрытия в местах наибольшего скопления абонентов: аэропорты, вокзалы, стадионы и т. д.
Вариант развертывания сети 5G/IMT-2020 в России
В сетях 5Gбудет доступна технология LAA (Licensed-Assisted Access) — использование участков нелицензируемого спектра со свободным доступом пользователей для формирования вторичных агрегируемых несущих (SCC) в групповом агрегируемом канале. Будет доступна агрегация с частотами в диапазонах ниже 7 ГГц, в том числе с частотами, которые сейчас используются для технологии Wi-Fi.
Также ожидается применение технологии LSA (Licensed Sharing Access), обеспечивающей совместное использование участков лицензируемого спектра, выделенных оператором одной или разных радиослужб. LSA обеспечит предоставление дополнительного спектрального ресурса пользователям подвижной широкополосной связи, если перегруппировка спектра невозможная или нежелательная.
Дополнительные пользователи получают разрешение задействовать спектр в соответствии с правилами, включенными в их права на использование спектра. Это позволяет всем уполномоченным пользователям, включая традиционных, обеспечивать определенное качество обслуживания (QoS).
Для обеспечения возможности использования LSA в сетях 5Gбудет доступна новая функциональность — спектральный менеджер (HSM). Он позволит рассматривать только те частотные ресурсы, которые доступны для повторного использования, и распределит их между вторичными пользователями частотного ресурса LSA. Роль HSM может быть определена регулирующим органом, независимой доверенной третьей стороной или даже одним из владельцев лицензии радиочастотного спектра.
Операторы мобильной связи могут достичь взаимного согласия через менеджера спектра HSM для того, чтобы иметь общий ресурс спектра, дополненный спектральными ресурсами каждого из операторов и доступный для всех шеринговых операторов. Недостатком использования технологии LSA в сетях 5Gявляется накопление задержки при принятии решения спектральным менеджером о возможности использования полос LSA за счет необходимости обращения к геолокационной базе данных, что делает их неприменимыми в бизнес-моделях критических услуг 5G.
Соответственно, LSA и LAA будут доступны для двух возможных сценариев применения сетей 5G — MioT и eMBB, но не доступны для URLCC. LAA будет доступен в диапазонах 694-870 МГц, 3,4-3,8ГГц, 4,4-4,99 ГГц, 24,25-29,5 ГГц и 30-55 ГГц. LSA будет доступен в диапазонах 694-790 МГц, 3,4-3,8 ГГц, 4,4-4,99 ГГц и 5,9 ГГц.
Сетевые слои 5G
Для предоставления абоненту услуг определенного сегмента будет задействоваться сетевой слой сети 5G, который включает в свой состав необходимый набор виртуальных сетевых функций VNF. Один абонентский терминал может использовать до восьми таких сетевых слоев. Особенностью является то, что модуль управления доступом и мобильностью AMF должен быть общим для всех сетевых слоев, обслуживающих абонентский терминал.
Каждый сетевой слой характеризуется информацией S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information, идентификатор сетевого сегмента). Информация о нескольких сетевых слоях (до восьми) группируется в свободную информацию о сетевых слоях NSSAI (Network Slice Selection Assistance Information). Свободная информация NSSAI формируется раздельно для разных сетей мобильной связи в зависимости от идентификатора PLMN-id (Public Land Mobile Network Identifier, идентификатор наземной подвижной сети общего пользования).
Информация о сетевом слое S-NSSAI опорной сети 5GCore содержит ключевой параметр: тип сетевого слоя/сервиса SST. Для eMBBB данный параметр равен «1», для URLCC — «2», для MIoT — «3». Сетевые слои на базовых станциях gNB позволяют обеспечить гибкое распределение частотно-временных ресурсов между сетевыми слоями, учитывая особенности организации частотно-территориального покрытия.
Трехуровневые географически-распределенные сети 5G
В НИИР предлагают строить сети 5G на базе трехуровневой модели: федеральный округ (макрорегиональный уровень), субъект федерации, город/муниципальное образование (местный уровень).
На уровне федеральных округов в ЦОДах развертываются виртуальные сетевые функции VNF (Virtual Network Function) плоскости управления: серверы аутентификации AUSF (Authentication Server Function), унифицированные базы данных UDM (Unified Data Management), выбор сетевого слоя NSSF (Network Slice Selection Function), управление доступом и мобильностью AMF (Core Accessand Mobility Management Function), управление сессией SMF (Session Management Function), передача данных абонентов UPF (User Plane Function), управление политиками PCF (Policy Control Function), системы хранения структурированных данных SDSF (Structured Data Storage Network Function), управление сетью согласно требованиям приложений AF (Application Function), обеспечение взаимодействия сети с внешними функциями NEF (Network Exposure Function), репозитории (хранилища) сетевых функций NRF (NF Repository Function).
Виртуальные сетевые функции AUSF, UDM и NSSF не относятся к сетевым слоям и являются общими. NRF и PCF обслуживают все сетевые слои. Виртуальные сетевые функции AMF, SMF и UPF макрорегионального уровня обслуживают сессии и трафик сетевых слоев не критичных к задержкам (eMBB, MIoT).
ЦОДы некоторых федеральных округов смогут содержать только часть виртуальных сетевых функций, например AMF, SMF и UPF, а также виртуальные сетевые функции, такие как NSSF, AUSF, UDM, NRF и PCF, обслуживать несколько федеральных округов.
В целях обеспечения высокой надежности возможно использование георезервирования — развертывание географически удаленного резервного ЦОДа. Резервный ЦОД может иметь меньшую производительность за счет отсутствия георезерирования отдельных виртуальных сетевых функций VNF, например, виртуальных сетевых функций сетевого слоя MIoT. В таком случае надежность сетевого слоя MIoT определяется техническими решениям основного ЦОДа.
На уровне субъектов федерации размещаются пакетные шлюзы UPF сетевого слоя eMBBи платформы приложения VAS, допускающие задержки передачи данных 50-75 мс (например, игры в реальном времени и некоторые платформы V2X, трафик которых не требует ультрамалых задержек). В случае размещения шлюзов UPF на уровне субъектов России и реализации голосовых услуг посредством подсистемы IMS целесообразно там же размещать оборудование коммутации голосового трафика (IMSSDC, IM-MGW).
На уровне городов/муниципальных образований размещаются пакетные шлюзы UPF сетевого слоя URLLC, обеспечивающие ультрамалые задержки передачи данных 5-30 мс. Для услуг URLLC, требующих хендовер (сохранение связи при переходе абонента из одной соты в другую), например, услуг интеллектуальных транспортных систем V2X, необходимо также на местном уровне размещать виртуальные сетевые функции AMF и SMF. Наличие виртуальных сетевых функций AMF и SMF невысокой производительности на локальном уровне уменьшает задержки в процессе хендовера.
При развертывании сетей 5G необходимо будет обеспечить следующие возможности: возможность локализации трафика за счет децентрализации пакетных шлюзов UDF и размещения их ближе к абоненту, в том числе в составе оборудования базовой станции, гибкие режимы управления сессиями абонентов, в том числе обеспечение непрерывности сессий абонентов при смене обслуживающего пакетного шлюза UPF в процессе перемещения, а также возможность одновременного использования нескольких шлюзов UPF и раздельной маршрутизации трафика.
Этапы строительства сетей 5G
Сети 5G первое время будут активно взаимодействовать с существующими сотовыми сетями четвертого поколения (4G) стандарта LTE. Это будет возможным благодаря режимам двойного подключения EN-DC (E-UTRA New Radio Dual Connectivity) и NGEN-DC (NG-RAN E-UTRA new Radio Dual Connectivity), обеспечивающим одновременную работу абонентского устройства (UE, userequipment) с сетями 4G и 5G.
Разница между двумя указанными режимами состоит в том, что EN-DC использует опорную сеть LTE, а NGEN-DC — 5G. Базовые станции в сетях LTE принято называть eNB, в сетях 5G они будут называть gNB.
При использовании режима двойного подключения EN-DCулучшенные базовые станции LTE, способные работать с сетями 5G, будут называться ng-eNB. А при использовании режима NGEN-DC базовые станции 5G, подключенные к опорной сети LTE, будут называть en-gNB.
Строительство сетей 5G предлагается реализовать в три этапа. Начать следует со строительства улучшенных базовых станций LTE — en-gNB— и подключения их к существующей опорной сети EPC (Evolved Packet Core, усовершенствованная опорная пакетная сеть). Затем планируется реализовать режим двойного подключения EN-DCдля мультистандартных абонентских устройств. С этой целью будет осуществлено строительство опорной сети 5G Core.
Далее будет осуществлена модернизация существующих в LTE-сетях базовых станций eNB до ng-eNB, подключение модернизированных базовых станций ng-eNBк опорной сети 5GCore, переключение базовых станций gNB с опорной сети EPC на опорную сеть 5GC и реализация режима двойного подключения NGEN-DC для мультистандартных UE. Параллельно будет идти второй этап строительства базовых станций gNB.
На следующем шаге запланирована модернизация оставшейся части существующих базовых станций eNB до ng-eNB, переключение всех базовых станций с опорной сети EPCна опорную сеть 5GCore, демонтаж опорной сети EPC. Параллельно будет происходить третий этап строительства базовых станций gNB.
Заключительный шаг, предусматривающий демонтаж опорной сети EPC, следует выполнять, когда все абонентские терминалы LTE будут поддерживать NAS (Non-access stratum, функциональный уровень в сетях LTE между опорной сетью и абонентскими устройствами), сигнализацию с опорной сетью 5GC и голосовую связь посредством подсистемы IMS (мультимедийная система на базе протокола IP).
Под поддержкой IMS подразумевается наличие IMS/SIP/SDP, клиентское ПО, поддержка необходимых сетевых процедур управления потоками данных и сигнализацией согласно QoSFlow, обеспечение обнаружения на сети элементов подсистемы IMS(например, P-CSCF) и поддержка вызова экстренных оперативных служб посредством VoNR.