Cím:

5G-mobilrendszer

5G Mobile System

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Nagy Lajos1, Szalay Zoltán Attila2

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

1a műszaki tudomány kandidátusa, habilitált egyetemi docens, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék, Budapest

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

2egyetemi tanársegéd, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék, Budapest

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

 
Összefoglalás
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A mobilhálózatok újabb és újabb generációit közelítőleg tízévenként vezették be, így 2020-ra került bevezetésre a jelenleg kiépítés és bővítés alatt álló 5G-rendszer. A mobilrendszerek fejlődésének egyik fő mozgatója a felhasználói adatsebesség-igények növekedése, azonban az 5G-szabvány megalkotásakor további rendszerkövetelményeket (kis késleltetési idő, flexibilis rádióerőforrás-gazdálkodás) is figyelembe vettek. A növekvő adatsebességi igények kielégítésének kulcseleme a spektrum kihasználás hatékonyságának növelése. Az 5G-rádióhálózatok kialakításakor elsősorban adaptív spektrumallokációs technikákkal és többantennás (MIMO, masszív MIMO) megoldásokkal egészítették ki a korábbi mobilcellás rendszerek rádióhálózatát. A rádiófrekvenciás spektrum milliméteres hullámhossztartományra történő kiterjesztése lehetőséget nyújt nagyobb sávszélesség allokálására, ami ugyancsak a felhasználói adatsebesség növelését szolgálja.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A cikk első részében áttekintjük a vezeték nélküli rendszerek fejlődési lépéseit, az 5G-hálózatok szabványosítási eljárását és az allokált rádióspektrum használatát. A negyedik fejezetben összefoglaljuk az 5G hálózati architektúra elemeit, a maghálózatot, rádióhálózatot. A cikk utolsó részében a rádiós fizikai réteg új elemeit mutatjuk be, és a terjedelem által megengedett mértékben összevetjük a 4G-rendszer fizikai rétegével.
 
Abstract
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Newer generations of mobile networks have been introduced approximately every 10 years, so by 2020 the 5G system was introduced and currently improvement (Beyond 5G and 6G) is researched. One of the main drivers of the development of mobile systems is the increase in user data rate requirements, however, additional system requirements (low latency, flexible radio resource management) were considered when creating the 5G standard. A key element in meeting the growing data rate needs is to increase the efficiency of spectrum utilization. When designing 5G radio networks, adaptive spectrum allocation techniques and multi-antenna (MIMO, massive MIMO) solutions were added to the radio network of previous mobile cellular systems. Extending the radio frequency spectrum to the millimeter wavelength range provides the opportunity to allocate more bandwidth, which also serves to increase the user data rate.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

In the first three chapters of the article, we review the development steps of wireless systems, the standardization process of 5G networks, and the use of allocated radio spectrum. In the fourth chapter we summarize the elements of the 5G network architecture, the core network, the radio network. In the last part of the article, we present the new elements of the radio physical layer and compare it with the physical layer of the 4G system to the extent permitted by the scope.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Kulcsszavak: mobilhálózat, 5G-rendszer, rádióspektrum, rádiós fizikai réteg
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Keywords: mobile network, 5G system, radio spectrum, radio physical layer
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

DOI: 10.1556/2065.182.2021.6.2
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

 
 
Bevezetés
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A távközlési ipar vezeték nélküli kommunikációs iparága folyamatos fejlődésben van, napjainkban az 5G-mobilhálózatok bővítése folyik világszerte. A mobil rendszerek fejlődésének egyik fő mozgatója a felhasználói adatsebesség-igények növekedése. A növekvő igények kielégítésének kulcseleme a spektrumkihasználás hatékonyságának növelése. Az 5G-rádióhálózatok kialakításakor elsősorban adaptív spektrumallokációs technikákkal és többantennás (MIMO) megoldásokkal egészítették ki a korábbi mobilcellás rendszerek rádióhálózatát. Az 5G rádiófrekvenciás spektrum kiterjesztése a milliméteres hullámhossztartományra lehetőséget nyújt nagyobb sávszélesség allokálására, ami ugyancsak a felhasználói adatsebesség növelését szolgálja.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A cikkben használt rövidítések és fogalmak feloldását és magyarázatát a cikk végén közöljük.
 
 
1. Vezeték nélküli rendszerek evolúciója
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A vezeték nélküli rendszereken a mesterséges vezetékezés nélkül megvalósított rendszereket értjük. A felosztásba a rádiós rendszereken kívül optikai sávú (látható – visible light communications, infravörös, ultraibolya tartományban) rendszerek is beletartoznak (optical wireless communications). A továbbiakban az elektromágneses spektrum rádiófrekvenciás tartományában megvalósított rádiós rendszereket tekintjük vezeték nélküli rendszereknek. A rádiós rendszerek csoportjába tartozó fő rendszerek a fix, nomadikus, illetve a mobilrendszerek. Mobil rádiós telefonrendszereket már az 1940-es évek végétől használtak, ilyen volt például az AT&T rendszere. A mobil távközlés a cellás mobil rádiórendszer elvének alkalmazásával vált hatékony rendszerré, mely a frekvencia újrafelhasználásával biztosítja a felhasználói forgalomhoz való alkalmazkodást (nagyobb felhasználósűrűség és adatforgalom-igény – kisebb cellaméret).

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A mobil rádiós eszközök jellemző adatsebesség-lefedettségi tartomány összefüggését az 1. ábrán mutatjuk be.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

1. ábra. Mobil rádiórendszerek adatsebesség-lefedettségi tartomány kapcsolata
(saját szerkesztés)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 1. ábrán látható cellás mobil rendszerek egymás utáni generációira 1G, 2G… 5G rövídítésekkel hivatkozunk. Jelenleg kutatási, fejlesztési projektek folynak az 5G utáni (Beyond 5G – B5G) és a 6G-rendszerek megalkotására és vizsgálatára.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A mobilhálózatok újabb és újabb generációit közelítőleg tízévenként vezették be, így 2020-ra került bevezetésre az 5G-rendszer. A mobilcellás rendszerek evolúcióját, a generációváltásokat, a rendszerek világméretű működési csúcs időpontjait és az egyes generációk becsült működési időtartamát a 2. ábrán láthatjuk.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

2. ábra. A mobilcellás rendszerek evolúciója
(saját szerkesztés)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 1G-rendszerek Magyarországon működő változata az NMT450 (Nordic Mobile Telephone System) volt, amely a 450 MHz-es frekvenciasávban működött, frekvenciamodulációt (frequency modulation – FM) alkalmazva a beszédátvitelre. A rádiócsatornák távolsága alapértelmezésben 25 kHz, a kézi mobilkészülékek maximális adóteljesítménye 1 W volt. A rendszer beszédátviteli kapcsolatát titkosítás nélküli csatornán, az FM műsorszóró adók működésével analóg módon hozták létre.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A 2G-rendszer kialakítása európai szabványosítási eljárásban a European Telecommunications Standards Institute (ETSI) vezetésével történt. A rendszer legfontosabb előnyei az 1G-rendszerekhez képest: roaming (hálózatváltás) biztosítása; digitális beszéd- és adatátvitel; SMS-, MMS-üzenetek küldése; adat- és beszédtitkosítás; előfizetői adatok biztonságos kezelése. Egységes európai rendszerként lehetővé tette a hálózatok és országok közötti váltást (roaming). A növekvő előfizetői adatsebesség-igény kiszolgálására a 2,5G rendszerekben megvalósították az előfizetőnkénti növelt és adaptíven menedzselt rádióerőforrás-használatot (több időrés allokálása egy összeköttetéshez, csomagkapcsolt üzemmód, több modulációs állapot), így már az internetböngészés is lehetővé vált. A GSM-rendszer kézi mobilkészülékeinek adóteljesítményét 0,8 W-ra korlátozták.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A 3G Európában UMTS-ként, az USA-ban a CDMA2000 néven vált ismertté, megváltoztatta a mobiltelefon-felhasználók használati szokásait, jelentősen csökkent a beszédforgalom, és dominánssá vált az adatforgalom. A GSM-rendszer tapasztalatain alapulva a 3G fő célja a nagy sebességű adatátvitel támogatása volt, és már a kezdeti 3G-technológia is 14 Mbps sebességű adatátvitelt tett lehetővé. Nagyobb adatmennyiség nagyobb sebességgel történő továbbításával a 3G lehetővé tette a felhasználók számára a videóhívásokat, az internetböngészést és a fájlmegosztást. A mobil- és bázisállomás-készülékek adóteljesítményeire teljesítményosztályokat állapítottak meg. A gyártók a kézi mobilkészülékekre maximális korlátként megadott 2W teljesítményt nem léphetik túl, de adott készülékre a tényleges adóteljesítményt a felhasználó fejében, testében, illetve végtagokban elnyelt teljesítmény egészségügyi korlátai limitálják (SAR). A 3G-rendszer a kódosztásos többszörös hozzáférés (CDMA) bevezetésével hatékonyabb rádióerőforrás-kiosztást tesz lehetővé, mint a kommunikációt rögzített időrésekben megvalósító GSM-rendszer.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A 4G bevezetése lehetővé tette az okostelefon fogalmának kiterjesztését. A Long-Term Evolution (LTE) technológiát használva 10 Mbps és 1 Gbps közötti elméleti letöltési sebességet, kisebb késleltetést (kevesebb pufferelést), minőségi streaminget biztosít. A 4G az első IP-alapú mobilhálózat, amely az alkalmazások által igényelt sebességi követelményeket QoS (minőségi osztályok) definiálásával elégíti ki, ideértve a vezeték nélküli szélessávú hozzáférést, a multimédia üzenetszolgáltatást (MMS), videócsevegést, mobil tv-t, HDTV-tartalmat, digitális videó műsorszórást (DVB).

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A bevezetésük óta eltelt közel tíz év után már látszik, hogy a 4G-hálózatok sem tudják az újonnan megfogalmazott igényeket kielégíteni. A most kiépülő rendszerek (a kiterjesztett valóság [AR], az autonóm járművek és a tárgyak internetének [IoT] exponenciális növekedése) tették szükségessé a mobilcellás technológiák új generációjának kifejlesztését.
 
 
2. 5G-hálózatok, a szabványosítás jelenlegi állapota
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Felismerve, hogy a 4G LTE-hálózatok kapacitása korlátozni fogja az előző fejezetben felsorolt igényeket, a Nemzetközi Távközlési Unió (ITU) 2015-ben meghatározta az 5G specifikációs követelményeket. A szabványokat a 3. Generációs Partnerségi Projekt (3GPP) keretében határozták meg, a véglegesítést a részt vevő regionális szabványügyi testületek tagjai végezték, melyekben több mint hatszáz vállalat képviseli szakmai véleményét. A szabványok kidolgozását megelőzi a követelmények és felhasználási esetek definiálása (User Cases), olyan szakmai fórumokon, mint az ITU-R (International Telecommunication Union Radio Sector), másrészt ipari fórumokon, különösen a Next Generation Mobile Network (NGMN) Szövetségben.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 5G szabványosítása az IMT2020 projekt keretében történt. A folyamat 2014-ben kezdődött, és 2020-ban helyezték üzembe az első közcélú 5G-s mobilhálózatokat. A szabványosításban az IMT2020 projekt célkitűzéseit figyelembe véve a 3GPP is aktívan részt vett. A szabványosítás több lépésben „release”-ek, azaz szabványgyűjtemények kiadásával történik napjainkban is.
 
1. táblázat. 5G-paraméterek
Felhasználói átlagos adatsebesség
Downlink: 100 Mbps – 1 Gbps
Uplink: 50 Mbps – 500 Mbps
Maximális adatsebesség
Downlink: 20 Gbps
Uplink: 10 Gbps
Maximális spektrális hatékonyság
Downlink: 30 bit/s/Hz
Uplink: 15 bit/s/Hz
Sávszélesség
100 MHz (sub 6 GHz sávban)
1 GHz (milliméteres sávban, mmWave)
Mobilsebesség
500 km/óráig
Késleltetés (rádiós interfészen)
URLLC-típus: 0,5 ms
EMBB-típus: 4 ms
Kapcsolatsűrűség
250 000 felhasználó/km2
Területre értelmezett forgalmi kapacitás
15 Mbps/m2
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 5G szabványosítása során három követelménytípust fogalmaztak meg:
  1. eMBB (Enhanced Mobile Broadband) – továbbfejlesztett mobil szélessáv,
  2. URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) – ultra-megbízható alacsony késleltetésű kommunikáció,
  3. mMTC (Massive Machine Type Communications) – kiterjedt gépi kommunikáció.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az ITU-R- és 3GPP-szervezetekben definiált profilok és követelmények teljesítéséhez a legfontosabb rádiós és hálózati műszaki paramétereket az 1. táblázat mutatja.
 
 
3. RádióspeKtrum használata
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 5G rádiós interfészt a hálózat számára elérhető rádióspektrum rugalmas felhasználására tervezték, a 400 MHz–90 GHz-es frekvenciatartományban, beleértve az engedélyköteles, megosztott és engedély nélküli sávok használatát; FDD- és TDD-duplexálást; keskeny- és szélessávú alkalmazást. A három fő spektrumtartomány használatát a 3. ábra szemlélteti. A 20 GHz feletti, milliméteres frekvenciasávban alkalmazható 1 GHz-es sávszélesség, ami lehetővé teszi az 5–20 Gbps-es adatátviteli sebesség elérését, ezzel a kapacitás jelentős növelését. A milliméteres frekvenciatartomány elsősorban helyi, nagy előfizetői sűrűségű használat kielégítésére alkalmas, mint tömegesemények, kültéri és beltéri hotspotok, vasúti tömegközlekedés, valamint rögzített vezeték nélküli alkalmazások.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

3. ábra. A rádióspektrum használata az 5G-rendszerben
(saját szerkesztés)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A 2,5–5,0 GHz-es frekvenciatartományt a városi területek nagy kapacitású 5G lefedéséhez használják, elsősorban a meglévő bázisállomás-helyekre történő telepítéssel. Ezen belül a 3,5 GHz-es sáv különösen nagy jelentségű, mert világszerte elérhető (vagy szabaddá tehető) sáv, és a rendelkezésre álló sávszélességet figyelembe véve, a legtöbb országban operátoronként akár 100 MHz-nél nagyobb sávszélességet lehet biztosítani. A csúcs adatsebesség 100 MHz-es sávszélességgel és 4 × 4 MIMO-antennarendszerrel 2 Gbps. Az 5G-lefedettség 3,5 GHz-en hasonló lehet a 4G LTE1800 lefedettséghez, ha nagyobb antennarendszerrel masszív MIMO-nyalábformálást alkalmaznak.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A 3 GHz alatti sávokat nagy vidéki területek lefedésére használják, és ezek a sávok lehetővé teszik a rádióhullámok kis csillapítással történő kültérből beltérbe behatolását, így jó beltéri lefedettséget biztosítanak. A kiterjedt lefedettség fontos az új alkalmazások, például az IoT és időkritikus kommunikációs rendszerek számára. A 700 MHz-es sávot Magyarországon is elérhetővé tették az UHF-sávú televíziós műsorszórás felszabadításával. A másik lehetőség a 900 MHz-es sáv újraallokálása, amelyen ma leginkább 2G- és 3G-rendszereket üzemeltetnek, és a 4G-, 5G-hálózatok bővülésével a korábbi rendszereket folyamatosan cserélik majd le az új rendszerekre.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

2020 márciusában Magyarországon az NMHH (Nemzeti Média- és Hírközlési Hatóság) által lebonyolított frekvencia-árverésen a 2. táblázatban összefoglalt sávszélességeket nyerték el a szolgáltatók. Ezeket a sávokat elsősorban az 5G magyarországi kiépítésére használják.
 
2. táblázat. A 2020 márciusában tartott frekvencia-árverésen elnyert sávszélességek (Up és Downlink együtt)
Frekvenciasáv
Magyar Telekom
Telenor
Vodafone
700 MHz
20 MHz
10 MHz
20 MHz
2100 MHz
20 MHz
10 MHz
3,6 GHz
120 MHz
140 MHz
50 MHz
 
 
4. 5G-architektúra
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

4.1. Hálózati felépítés
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A korábbi mobilhálózatokhoz hasonlóan az 5G-rendszer is két jól elkülöníthető részre osztható, a maghálózatra (5GC, 5G Core Network), valamint a következő generációs rádiós hozzáférési hálózatra (NG-RAN, Next Generation – Radio Access Network). Azonban a költséghatékonyság és a hálózati „visszafelé” kompatibilitás miatt a szabványosítás során két fázist és ezzel két működési módot határoztak meg. Az első fázisban csupán az új rádiós hozzáférési hálózatot definiálták, amit non-standalone üzemmódnak nevezünk (4G–5G hibrid hálózat), míg a szabványosítás második fázisában a maghálózatot is modernizálták. Utóbbit nevezzük Standalone 5G-hálózatnak.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az LTE-hálózatokban az X2 és az S2 logikai kapcsolódási felületek (interfészek) hivatottak a kapcsolatot megteremteni a RAN-beli csomópontok, illetve a RAN-csomópontok és a maghálózati elemek között. A non-standalone üzemmód esetében ezeket az interfészeket megtartották, míg a standalone működéshez ezeket kibővítették, és Xn, valamint NG néven hivatkoznak rájuk. A fenti két új csatlakozási felületen kívül három további került bevezetésre a RAN-csomópontokon belül. Az egyik szerepe a logikai funkciók szeparálhatósága, F1 (Function Split). Az úgynevezett E1 (Open interface) a vezérlő egységen belül a vezérlő és a felhasználói síkok közötti kapcsolatot teszi lehetővé, míg az eCPRI a rádiós egység és az aktív antennák közötti kommunikációt biztosítja.
 
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

4.2. Maghálózat
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 5G-maghálózat (NGC) topológiájának megvalósítása jelentősen eltér a korábbi hálózatokétól (2G, 3G, 4G). A hálózat lehet referencia- vagy szolgáltatásalapú (SBA, Service Base Architecture). Az 5G esetében az SBA a javasolt kialakítás, ugyanis ekkor a hálózatkezelés szoftveres alapokon nyugszik, így a hálózati funkciók virtualizálhatók és újrakonfigurálhatók.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A maghálózati entitásoknak kell a hozzáférés- és mobilitáskezelést (AMF, Access and Mobility Managemenet Fuction) megoldani, a felhasználói sík feladatait (UPF, User Plane Function), valamint a munkamenetek (SMF, Session Management Function) irányítását megvalósítani. A teljesség igénye nélkül az AMF főbb feladatai közé tartozik a jelzésüzenetek kezelése (például mobilitás) és biztonságossá tétele (például hitelesítés), mobilitástámogatás mind a rendszeren belül, mind pedig rendszerek között. Az UPF gyakorlatilag egy adathálózati átjáró, így fő feladata a csomagok irányítása és továbbítása, amihez hozzátartozik a szolgáltatásminőségi szabályok betartása, érvényesítése (QoS). Az SMF a munkameneteket vezérli, így hozzá tartozik az IP-címek kiosztása és azok menedzselése.
 
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

4.3. Rádiós hálózat
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 5G új hozzáférési hálózatát a gNB-k (Next Generation Node Basestation) adják. A központi (CU) és az elosztott egység (DU), valamint a távoli fejegység (aktív antennák) (RRH – Remote Radio Heads) közötti kapcsolatot az F1 és F2 csatlakozási pontok teremtik meg. A DU a fizikai réteg úgynevezett magasabb szintjét foglalja magában, míg az RRH a fizikai réteg alsóbb szintje.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A fentebb említett non-standalone felépítésben a gNB-nek mindig szüksége van egy LTE eNodeB-re mint kapcsolódási pontra, amelyen keresztül eléri a 4G EPC-vezérlősíkot, vagy egy eLTE eNB-re az NG-CN-vezérlősíkra kapcsolódáshoz.
 
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

4.4. Az alsó szintű fizikai réteg
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Már a 4G LTE fizikai réteg kialakítását is erősen befolyásolták a magas csúcsátviteli sebességre vonatkozó követelmények (100 Mbps DL – Downlink / 50 Mbps UL – Uplink), a spektrális hatékonyság és többcsatornás sávszélesség. Ezen követelmények teljesítéséhez a fizikai réteg alapjául az ortogonális frekvenciaosztásos multiplex (OFDM) rendszert választották. OFDM elve az 1960-as években jelent meg, és az 1990-es években már felmerült a 3G-rendszerek specifikálásánál is, de akkor elvetették a technológiai bonyolultsága miatt. Azóta az elektronika és a jelfeldolgozás fejlődése eredményeként az OFDM-et már széles körben használták más vezeték nélküli rendszerekben, így például a 802.11 (WiFi), a 802.16 (WiMAX) rendszerekben, és alkalmazzák a digitális hang- és videóműsor-szóró rendszerek (Digital Audio / Video Broadcast – DAB / DVB) is.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A digitális információfolyamot először párhuzamos folyamokra osztják, amelyeknek az átvitele párhuzamosan történik az egyes alvivőkön, amelyeken akár eltérő modulációs módot (BPSK, QPSK, QAM) lehet alkalmazni. Ez a felosztás azért hasznos, mert a csatorna frekvenciafüggő csillapításai egyszerűbben kezelhetők alvivő szinten, azaz a gyengébb minőségű (jobban csillapított) alvivőkön a modulációs állapotszám csökkenthető.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Emellett ismert szimbólumok, úgynevezett pilotjelek kisugárzásával csatornabecslés, és ezen keresztül csatornakorrekció valósítható meg, ami nagyban növeli a jel többutas terjedésből adódó lineáris torzításokkal szembeni ellenállóságát. Amellett, hogy az OFDM-jelek használata nagyon kényelmessé teszi a többszörös közeghozzáférést (OFDMA) (alvivőcsoportok felhasználókhoz rendelésén keresztül), és nagyon jól skálázhatóak a statikus és mobilalkalmazásokhoz az alvivőszám és ezen keresztül a távolság megválasztásával (Doppler-eltolódással szembeni érzéketlenség), egyik nagy hátrányuk a nagyon nagy csúcstényezőjük (PAPR, Peak Average Power Ratio). Ez azt jelenti, hogy a kisugárzandó jel átlagteljesítményéhez képest időnként igen nagy csúcsteljesítmények lehetnek. Éppen ezért a 4G esetében csupán a lejövő adatfolyam (DL) modulációjának használták, míg a mobileszköz oldalán a felmenő adatok (UL) modulációjának a DFT-szórt OFDM-et választották. Utóbbi jóval kisebb PAPR-rel rendelkezik, de cserébe kisebb a spektrális hatékonysága. Az 5G esetében mind a DL-, mind az UL-irányban ciklikus prefixszel ellátott OFDM- (CP-OFDM) modulációt használnak. Ez azért tehető meg, mert a felhasználói oldalon opcionálisan olyan előkódoló algoritmus használható, amely a csúcstényezőt csökkenti.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A 4G-hez képest a hibajavító vagy csatornakódoláson is javítottak. A TURBO-kódot a felhasználói adatok esetében LDPC, míg a vezérlő adatokat a még erősebb védelmet nyújtó POLAR hibajavító kódolásra cserélték le.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A spektrális hatékonyság további növeléséhez az 5G-rendszer erősen támaszkodik az úgynevezett masszív MIMO-megoldásokra. Ebben az esetben a két kommunikáló végpont közül legalább az egyik minimum 8 × 8 antennaelemmel rendelkezik (tipikusan a bázisállomás). A nagyszámú sugárzóval olyan nyalábformálás valósítható meg, amellyel egyszerre több felhasználó osztozhat ugyanazon a fizikai közegen. Ezzel a módszerrel akár tízszer nagyobb rendszerszintű kapacitás érhető el, mint a hagyományos antennakialakításokkal.
 
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

4.5. 5G-keretszerkezet
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A 4G LTE-rendszer alvivőtávolsága 15 kHz-ben rögzített (lehetőség van 7,5 kHz-es alvivőtávolság alkalmazására eMBMS, Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services esetén), ezzel szemben az 5G-rendszerek új rádiós (New Radio, NR) fizikai rétegén 15, 30, 60, 120 és 240 kHz-es alvivőtávolság használható, ez a 4G LTE-rendszer fizikai rétegénél jelentősen hatékonyabb rádiós erőforrás-gazdálkodást tesz lehetővé (3. táblázat).
 
3. táblázat. LTE és 5G NR keretszervezése
4G LTE
5G NR
Rádiós kerethossz
10 ms
10 ms
Időrés hossza
0,5 ms
(1/2)μ ms
μ = 0..4
1; 0,5; 0,25; 0,125; 0,0625 ms
Alvivőtávolság
15 kHz (7,5 kHz eMBMS esetén)
Δf = 2 μ × 15 kHz
μ = 0..4
15; 30; 60; 120; 240 kHz
Sávszélesség
1,4; 3; 5; 10;15; 20 MHz
5; 10; 15; 25; 30; 40; 50; 60; 80; 100 MHz (<6 GHz)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Példaképpen bemutatjuk μ = 2 esetre az alapértelmezett alkeret- és időrés-felépítést egy 10 ms hosszúságú rádiós kereten belül (4. ábra).
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

4. ábra. Rádiós keret, alkeret, időrés és OFDM-szimbólum keretszerkezet μ = 2 esetre
(saját szerkesztés)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 5G-rendszer NR (New Radio) rádiós fizikai rétegének jelentős újdonsága a nagyszámú alkeret és időrésszám kombináció, amit az OFDM-rendszerrel együtt hatékonyan lehet alkalmazni az adatátviteli kapcsolatok optimális megvalósítására széles adatsebesség tartományban és változó rádiócsatorna jellemzők mellett.
 
 
5. Összefoglalás
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az 5G-rendszer legfontosabb új technológiai elemeit az előzőekben bemutatottakon túl, a részleteiben nem tárgyalt elemekkel együtt a 4. táblázatban mutatjuk be.
 
4. táblázat. Az 5G legfontosabb új technológiai elemei
Rádióspektrum alkalmazás
  • a korábban még nem használt > 6 GHz sávokra történő kiterjesztés
  • sávszélesség 100–1000 MHz
  • flexibilis vezérlőcsatorna-allokálás a frekvenciatartományban
Antenna nyalábformálás és MIMO
  • közös csatornás nyalábformálás
  • optimalizált MIMO-minőség visszacsatolás
  • masszív MIMO
Fizikai réteg és protokoll
  • alacsony késleltetés: mini időrés, pipeline feldogozás
  • LDPC-csatornakódolás
  • OFDM alkalmazása
Hálózati szeletelés (network slicing)
  • szolgálatspecifikus végpontok közti hálózat (szolgáltató által konfigurált szolgáltatási elemek)
  • áramlásalapú QoS biztosítása
Kettős kapcsolat (dual connectivity)
  • egyidejű 5G- és LTE-rádiókapcsolat
  • az LTE-maghálózat és -protokoll használata
  • nagyobb adatsebesség elérése 5G- és LTE-erőforrások aggregálásával
Rádiófelhő és edge computing
  • a felhasználói gépek, szenzorok közvetlen kapcsolódása az adatfeldolgozó eszközökhöz a rádiós eszközökön keresztül
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A globális mobil adatforgalom tízszeresére nőtt az elmúlt öt évben. Már a 4G LTE bevezetése is számos új alkalmazást tett lehetővé okostelefonokban, nagy adatsebességet eredményezett, és több százmillió olyan felhasználó számára biztosítja az internet-hozzáférést, akinek korábban nem volt hálózati elérése. Az 5G céljai messze meghaladják az LTE technikai képességeit, és a lehetséges alkalmazási területek még jelenleg is kidolgozás alatt vannak.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A cikk terjedelmi korlátai miatt a szerzők semmiképpen nem vállalkozhattak az 5G-rendszer teljes körű bemutatására, a cél inkább áttekintés és a fő technológiai elemek bemutatása volt, és nem foglalkoztunk olyan fontos hálózati elemekkel, mint a titkosítás, előfizetői azonosítás, felhőalapú számítástechnika és a hálózatszeletelés (network slicing).
 
 
Rövidítések magyarázata
 
AMPS
  • automatikus kapcsolású, első generációs, analóg mobilcellás rendszer (Advanced Mobile Phone System)
Bluetooth
  • rövid hatótávolságú, nyílt, vezeték nélküli adatátviteli szabvány
CDMA
  • kódosztásos többszörös hozzáférés (Code Division Multiple Access)
Duplexálás
  • a kétirányú adatforgalom szétválasztása (TDD – időben, FDD – frekvenciában)
ETSI
  • Európai Távközlési Szabványok Intézete
GSM
  • az Európai Távközlési Szabványok Intézete (ETSI) által kifejlesztett második generációs cellás hálózati szabvány, mely a mobil távközlés globális szabványa (Global System for Mobile Communications, eredetileg Groupe Spécial Mobile)
IoT
  • dolgok internetje, hálózatba kapcsolt eszközök rendszere (Internet of Things)
ITU
  • Nemzetközi Távközlési Egyesület
ITU-R
  • az ITU frekvenciagazdálkodásért és a műholdpozíciók világméretű koordinálásáért felelős szektora
LDPC
  • alacsony sűrűségű paritás-ellenőrző kód (Low Density Parity Check)
LoRa
  • nagy hatótávolságú, kis kimenő teljesítményű, WAN hálózati technológia (Long Range)
LTE
  • negyedik generációs vezeték nélküli adatátviteli szabvány (3GPP Release 8 – Long Term Evolution)
LTE-M
  • az LTE egyszerűsített változata korlátozott erőforrásokkal rendelkező IoT-eszközök számára
MIMO
  • több antennával működő bázisállomás- és mobilállomás-rendszer (Multiple-Input Multiple-Output)
Masszív MIMO
  • a bázisállomás jelentősen több antennával felszerelt, mint amennyi az egyidejűleg forgalmazó mobilállomások összes antennája
NMT
  • automatikus kapcsolású, első generációs, analóg mobilcellás rendszer (Nordic Mobile Telephone)
QoS
  • a szolgáltatás minősége; megfelelő minőségű adatforgalom biztosítása (Quality of Service)
RFID
  • Radio Frequency Identification, rádiófrekvenciás azonosítás
Roaming
  • szerződéses szolgáltatás, mely lehetővé teszi a felhasználóknak, hogy más mobilszolgáltatók hálózatait elérjék és használják
SAR
  • az egész testre vagy a test egy részére átlagolva fejezi ki, hogy egységnyi tömegű testszövet mekkora teljesítményt nyel el (Specific Absorption Rate)
Sigfox
  • WAN-technológia, melynek célja IoT-eszközök kommunikációjának energiahatékony támogatása nagyon nagy távolságok (akár 20–30 km) és nagyon alacsony adatküldési sebességek mellett
UMTS
  • egyike a harmadik generációs 3G mobiltávközlő technológiáknak (Universal Mobile Telecommunications System)
WiFi
  • az IEEE 802.11 vezeték nélküli mikrohullámú kommunikációt (WLAN) megvalósító szabvány népszerű neve
WRC
  • ITU Rádiótávközlési Világértekezlet (World Radiocommunication Conference)
ZigBee
  • vezeték nélküli, nyílt kommunikációs protokoll
3GPP
  • harmadik generációs együttműködési projekt (3rd Generation Partnership Project)
 
 
Irodalom
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Cox, C. (2020): An Introduction to 5G: The New Radio, 5G Network and Beyond. Wiley

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Dahlman, E. – Parkvall, S. – Sköld, J. (eds.) (2018): 5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology. Academic Press

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Holma, H. – Toskala, A. – Nakamura, T. (eds.) (2019): 5G Technology: 3GPP New Radio. Wiley

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Lu, S. (2018): 5G Standards Overview & 3GPP Tech Evolution Trends. August 2018, https://www.cambridgewireless.co.uk/media/uploads/files/RadioAI_18.9.18-Ublox-Sylvia-Lu.pdf

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Mosa, A. A. (2020): 5G Physical Layer Technologies. Wiley

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Rodriguez, J. (2015): Fundamentals of 5G Mobile Networks. Wiley

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Sauter, M. (2017): From GSM to LTE-Advanced Pro and 5G: An Introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband. Wiley

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Vannithamby, R. – Soong, A. (eds.) (2020): 5G Verticals: Customizing Applications, Technologies and Deployment Techniques. Wiley

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Venkataraman, H. – Trestian, R. (eds.) (2017): 5G Radio Access Networks: Centralized RAN, Cloud-RAN and Virtualization of Small Cells. CRC Press
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

URL1: Workplan, Timeline, Process and Deliverables for the Future Development of IMT. 2019, https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Documents/Anticipated-Time-Schedule.pdf
5G-mobilrendszer • 5G Mobile System