Peta generacija (5G) mobilnih tehnologija i njihovo uvođenje u eksploataciju podrazumeva ispunjenje zahteva, kao što su neograničeni pristup informacijama i prisustvo podataka na svakom mestu, u bilo koje vreme i za svakoga. Korisnici zahtevaju 10 puta veći protok podataka i 1.000 puta veći kapacitet u odnosu na postojeće mreže.
Mr Dragorad Milovanović
Prof. dr Zoran Bojković
Današnje društvo karakteriše ogroman porast obima i prostorne gustine telekomunikacionog saobraćaja u uslovima velikih ulaganja i tehnološkog razvoja računarskog oblaka (sloud computing). Peta generacija (5G) mobilnih tehnologija i njihovo uvođenje u eksploataciju podrazumeva ispunjenje zahteva, kao što su neograničeni pristup informacijama i prisustvo podataka na svakom mestu, u bilo koje vreme i za svakoga.
Korisnici zahtevaju 10 puta veći protok podataka i 1.000 puta veći kapacitet u odnosu na postojeće mreže. Pored toga zahteva se uspostavljanje uzajamne konekcije ogromnog broja (reda 106) inteligentnih uređaja. Zahteva se i pouzdanost, dugo trajanje električnog baterijskog napajanja i vrlo kratko vreme odgovora na poziv. Ukupnu potrošnju električne energije neophodno je smanjiti zbog istovremenog zahteva za povećanjem i kapaciteta i protoka podataka.
Okruženje je heterogeno, primenjuje više različitih tehnologija, slojevite mreže, različite vrste uređaja s različitim korisničkim interfejsima itd. Prepoznati zahtevi se mogu grupisati prema korisnicima, sistemima, servisima, upravljanju mrežom i poslovnim potrebama. Kada svi regioni implementiraju tehnologiju pete generacije i ostvare globalne konekcije, standardi postaju osnovni mehanizam i kamen temeljac infrastrukture i univerzalnih aplikacija.
Samo govor bežično
Razvoj tehnologije bežičnih telefona započeo je sredinom 20. veka. Prvi mobilni telefoni proizvedeni su u Japanu 1979. Istovremeno, NMT (Nordic Mobile Telephone) razvija bežičnu tehnologiju u Norveškoj, Švedskoj i Danskoj. „Motorola” u SAD uvodi mobilnu tehnologiju, da bi se prvi mobilni telefoni pojavili 1983. Prva generacija (1G) mobilnih celularnih mreža je zasnovana na analognim sistemima prenosa. U toku 1990. godine broj pretplatnika je globalno dostigao 20 miliona. Najznačajniji standardi prve generacije su AMPS (Advanced Mobile Phone System) i TACS (Total Access Communication Systems). Bežični telefoni korišćeni su samo za govorne usluge.
Sistemi druge (2G) generacije GSM (Global Systems for Mobile Communications) zasnovani su na digitalnim modulacionim tehnikama u TDMA (Time Division Multiple Access) i CDMA (Code Division Multiple Access) sistemima pristupa. Poboljšan je kvalitet govora, a od ne manjeg značaja nije da su povećana servisna zona i dodatne usluga (pejdžing, tekstualne poruke, govorna pošta). Prelazna generacija (2.5G) GPRS (General Packet Radio Service) paketsku komutaciju i IP protokol. Multimedijalni servisi, striming i internet servisi postaju popularni a protok podataka je povećan sa 9.6/14.4 Kb/s na 20-40 Kb/s.
Sistemi treće (3G) generacije uvedeni su u eksploataciju 1998. godine i omogućili su audio i video aplikacije. Jedan od osnovnih zahteva je ispunjen, jedinstven mrežni protokol umesto različitih standarda usvojenih u Evropi, SAD i drugim regionima. Treća generacija je ostvarila protoke od 2 Mb/a. Servisi UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) omogućili su multimedijalne internet aplikacije u svim regionima sveta.
Prelazna faza četvrte (4G) generacije mobilnih mreža su 3.5G sistemi HSPA (High Speed Packet Access) koji ostvaruju vršni protok od 14.4 Mb/s. Četvrta (4G) tehnologija komercijalno je dostupna od 2006. godine i ostvaruje protoke do 20 Mbps i istovremeno garantuje kvalitet servisa QoS (Quality of Service) na osnovu klasifikacije i prioriteta telekomunikacionog saobraćaja za različite aplikacije. LTE je mobilni system (Long Term Evaluation) od 2009. godine koji kombinuje OFDMA (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing) radio-interfejs i All-IP mrežu.
Projektovanje, dimenzionisanje i optimizacija su sastavni deo razvoja i infrastrukture informaciono-komunikacionih tehnologija (ICT) i osnovna baza razvoja novih algoritama za 4G/5G multiservisne mreže. Osnovni zadaci u bliskoj budućnosti su:
- Razvoj novih tehnologija koji će ponuditi povećanje kapaciteta radio mreže;
- Određivanje relacija kvaliteta servisa QoS i parametara koji karaterišu izvore saobraćaja;
- Upravljanje i optimizacija upotrebe resursa radio mreže i
- Naglašavanje uloge transporta podataka, njihovog prenosa i prijem od krajnjih korisnika do okosnice mreže.
Povećanje protoka
Razvoj sistema mobilnih mreža pete generacije (5G) fokusiran je na upotrebu i primenu, uzima u obzir potrebe operatora i nove poslovne modele, sve u smislu dodatnih usluga za krajnjeg korisnika. Zahtevaju se veći bitski protoci i kapacitet i ekonomičnost servisa. To su različiti zahtevi od onih koje su postizale 4G mreže optimizirane za široko-pojasni pristup podacima. U 5G mrežama ne radi se samo o broju uređaja, zahteva se pouzdanost i brzo uspostavljanje konekcije. Smanjenje potrošnje električne energije je značajan zahtev.
Jedan od najznačajnijih procesa u oblasti 5G standardizacije jeste partnerski projekat 3GPP koji je startovao marta 2015. godine. Projektom su definisani vremenski rokovi procesa standardizacije. Međunarodna telekomunikaciona unija ITU-R početkom 2012. predložila je program razvoja celularnih sistema do 2020. godine. Vremenski raspored 3GPP istraživanja, standardizacije i tehnologije i komercijalne primene 5G mobilnih mreža prikazan je na slici 1. Proces standardizacije u ITU prikazan je u tabeli 1.
Slika 1. ITU i 3GPP vremenski raspored 5G istraživanja, standardizacije i tehnologije.
Razvojni put 5G tehnologija mobilnih mreža karakteriše povećan broj uređaja i kompleksnost servisa. Istovremeno, pojavljuju se zahtevi za pristup novim bežičnim servisima. Naglašavamo osnovne prednosti 5G tehnologije:
- široki dvosmerni propusni opseg i visoka rezolucija,
- interfejs za tarifiranje sa naprednim karakteristikama,
- nadzorni alati za napredne krajnje korisnike
- masivni protoci (gigabita u sekundi) u emitovanju (broadcasting ),
- statistika telekomunikacionog saobraćaja sa velikom tačnošću,
- opcija za upravljanje propusnim opsegom sa udaljene lokacije,
- visoki protoci i za preuzimanje (download) i postavljanje (upload) i
- poboljšana i pojačana globalna konektivnost.
Pitanje koje se često postavlja kada se govori o tehnološkim komponentama jeste povećanje protoka podataka. Pretpostavlja se da ga je moguće ostvariti povećanjem spektralne efikasnosti, a to znači povećanjem broja čvorova u mreži. Od ne manjeg značaja su povećanje širine propusnog opsega upotrebom spektra milimetarskh talasa i bolja iskorišćenost nelicenciranog spektra na 5 GHz. Tehnologije MIMO, takođe, povećavaju spektralnu efikasnost. Tehnološke komponente kojima se ostvaruju ambiciozni ciljevi postavljeni 5G mobilnim mrežama sadrže:
- masivni MIMO sistemi,
- mikrotalasi milimetarske talasne dužine,
- povećanje gustine heterogenih mreža (slika 2),
- hetereogene radio mreže za pristup zasnovane na računarskom oblaku (slika 3),
- direktna komunikacija uređaja (slika 4).
Slika 2. Povećanje broja baznih stanica i mreža za podršku u jednoj oblasti pokrivanja
Slika 3. Heterogeni mrežni pristup sa koordinacijom u oblaku H-CRAN (Heterogeneous Cloud Radio Access Network)
Slika 4. D2D komunikacije u licenciranom i nelicenciranom spektru
Peta generacija 5G bežičnih mobilnih mreža podržava razvoj različitih širokopojasnih aplikacija sa različitim performansama. Koriste se mnogobrojni uređaji u heterogenom okruženju. Studija slučaja obuhvata određivanje zahteva i definisanje tehnološke osnove u 5G arhitekturi. Cilj je razumevanje nivoa fleksibilnosti koji se zahteva u 5G arhitekturi sistema. Studija je obuhvatila 25 slučajeva koji su grupisani u 8 grupa. Reprezentativni primeri i istraženi zahtevi prikazani su u tabeli 2.
Sve najbolje do sada
Mobilni sistemi 5G objedinjuju najbolje do sada razvijene tehnologije i raspolažu izuzetnom mogućnosti da podrže softverska rešenja. Na taj način podržan je široki opseg funkcionalnosti i primena izvan postojećih celularnih mreža, uključujući veoma pouzdane komunikacije.
Napredni sistemi, kao što su masivni antenski sistemi, mikrotalsne komunikacije u milimetarskom opsegu talasnih dužina i direktna komunikacija uređaja, značajno utiču na novu arhitekturu heterogenih mreža. Kao rešenje smanjenja potrošnje električne energije i povećanje spektralne efikasnosti pojavljuju se računarstvo u oblaku u tri segmenta: aplikacije, platforma i infrastruktura.
Aplikacije se zasnivaju na softverskim servisima. Infrastruktura predstavlja okosnicu celokupnog koncepta. 5G sistem je prilagođen velikim opterećenjima telekomunikacionog saobraćaja i predstavlja osnovu za sveprisutne servise i veliki broj baznih stanica. Osnovni zahtevi su visoka dostupnost servisa, veliki broj konekcija i energetska efikasnost. Istraživači nastavljaju sa razvojem tehnologija koje omogućuju konvergenciju mreža, medija i servisa.
Literatura:
K.R.Rao, Z.S.Bojković, D.Milovanović, Wireless multimedia communications, CRC press, Boca Raton, Taylor and Francis Group, 2009.
K.R.Rao, Z.S.Bojković, B.Bakmaz, Wireless multimedia communications: design, analysis and implermentation, CRC press, Boca Raton, Taylor and Francis Group, 2014.
