Интеграция 5g с существующими сетями 4g Lte: инженерные проблемы и решения

Мобильная сеть пятого поколения (5G) не является заменой 4G LTE; это эволюция, предназначенная для работы вместе с существующей инфраструктурой в течение многих лет. Это сосуществование - известное как нестандартная (NSA) архитектура - позволяет операторам использовать свою установленную базу оборудования 4G при предоставлении расширенной мобильной широкополосной связи, сверхнадежной связи с низкой задержкой и массивной связи машинного типа. Однако разработка бесшовной интеграции между 5G New Radio (NR) и 4G LTE представляет собой глубокие технические проблемы, которые охватывают сеть радиодоступа, базовую сеть и транспортные слои. В этой статье рассматриваются наиболее насущные препятствия и практические решения, которые инженеры развертывают по всему миру для обеспечения плавного, экономически эффективного перехода.

Основные инженерные проблемы интеграции 5G-4G

Интеграция 5G с 4G LTE требует гармонизации двух принципиально разных радиотехнологий, каждая со своей собственной формой волны, нумерологией и стеком протоколов. Основные проблемы могут быть сгруппированы в сосуществование радиочастот, аппаратную совместимость, сложность сетевой архитектуры, гарантии задержки и надежности, пропускную способность и безопасность / взаимодействующие соображения.

Управление сосуществованием и интерференцией спектра

5G NR был разработан для работы с частотой ниже 1 ГГц до более 50 ГГц, в то время как 4G LTE занимает частоты между 700 МГц и 3,8 ГГц. Когда обе технологии имеют один и тот же лицензионный диапазон - часто в ранних развертываниях 5G - требуется тщательная координация, чтобы избежать взаимных помех. Динамический разделение спектра (DSS) позволяет одному носителю одновременно нести как LTE, так и NR трафик, но DSS вводит накладные расходы и может снизить спектральную эффективность, если не оптимизирован для сочетания трафика. Инженеры также должны бороться с помехами соседних каналов, особенно в полосах, где 5G и LTE занимают соседние блоки с ограниченными полосами защиты. Такие методы, как расширенная фильтрация, агрегация несущих с тщательным разделением частот и адаптивным управлением мощностью в реальном времени, помогают смягчить эти проблемы радиочастот.

Ограничения оборудования и инфраструктуры сайта

Существующие базовые станции 4G обычно содержат устаревшие радиоблоки, антенны и соединения обратного хода, которые не были предназначены для более широких полос пропускания и более низких требований к задержке 5G. Обновление каждого сайта является капиталоемким и логистически сложным. Общий подход заключается в развертывании многорежимных удаленных радиоглав (RRH), которые поддерживают как LTE, так и NR сигналы от одного и того же оборудования, часто используя общий цифровой процессор. Кроме того, использование 5G массивных MIMO и антенн, формирующих луч, часто требует новых антенных решеток, башенных креплений и обновлений питания. Приобретение сайта для нового оборудования, особенно в плотных городских районах, добавляет еще один уровень сложности. Инженеры все чаще полагаются на распределенные антенные системы (DAS) и небольшие ячейки для заполнения пробелов покрытия без капитального ремонта каждого макро-сайта.

Сетевая архитектура: NSA vs. SA

Проект партнерства третьего поколения (3GPP) определил две основные архитектуры для развертывания 5G: Non-Standalone (NSA) и Standalone (SA). В режиме NSA (Option 3x/3a) радио 5G привязывается к существующему 4G Evolved Packet Core (EPC) для управления сигнализацией, в то время как пользовательские данные могут быть разделены между LTE и NR - конфигурация, известная как EN-DC (E-UTRA-NR Dual Connectivity). Этот подход позволяет быстрее внедрять на рынок, но вводит значительную сложность в управлении потоком вызовов, управлении мобильностью и реализации политики. Передача между ячейками LTE и NR требует тесной межузловой координации и надежных процедур сигнализации. По мере того, как операторы мигрируют в сторону SA (с использованием 5G Core или 5GC), они должны одновременно модернизировать свою основную сеть, что требует виртуализированных сетевых функций, сервисной архитектуры и поддержки сетевого среза. Сосуществование сетей NSA и SA в том же самом операторском следе еще больше усложняет планирование и оптимизацию.

Гарантии задержки и надежности

5G обещает конечную задержку до 1 мс для сверхнадежных коммуникаций с низкой задержкой (URLLC), в то время как 4G LTE обычно обеспечивает 10-20 мс. Достижение этих целей в среде с двойным подключением нетривиально. Характер пакетного переключения ядра 4G вводит задержки очереди и задержки передачи, которые могут превышать жесткие границы 5G NR. Инженеры используют такие методы, как краевые вычисления (MEC) для размещения серверов приложений близко к радиосети, выгрузка данных с плоскости пользователя непосредственно с базовой станции NR и скоординированное планирование через LTE и NR-носители. Однако меж-RAT (технология радиодоступа) передачи, особенно когда устройство должно вернуться только к LTE, может ввести дрожание и временное отключение, которое нарушает требования URLLC. Протокол точного времени (PTP) и синхронный Ethernet используются для поддержания обоих воздушных интерфейсов плотно синхронизированы с точностью до субмикросекунды.

Транспортная сеть Backhaul и Transport Network

Более высокая пропускная способность 5G NR (до 100 МГц на носитель в суб-6 ГГц и 400 МГц в ммВаве) и массивная MIMO генерируют скорости передачи данных, которые могут перегружать существующие магистральные линии связи, если они не модернизированы. Многие сайты 4G подключены через микроволновые или волоконные линии, предусмотренные для агрегата 100 Мбит / с-1 Гбит / с. Пиковая пропускная способность 5G на ячейку может превышать 10 Гбит / с, что требует обновления волокон или передовых микроволновых решений с более высокой модуляцией и агрегированием нескольких несущих. Кроме того, транспортная сеть должна поддерживать ограниченные задержки и джиттерные бюджеты для координационных сообщений между eNB (4G) и gNB (5G). Сетевое нарезка расширяет это давление до ядра с коммутацией пакетов, где каждый срез требует гарантированной пропускной способности и изоляции. Виртуализированные сетевые функции (VNF) и граничные вычислительные узлы с множественным доступом должны быть размещены в стратегических точках агрегации, чтобы минимизировать

Потребление энергии и тепловое управление

Добавление радиостанций 5G к существующим 4G-сайтам значительно увеличивает общее потребление энергии. Массивные MIMO-решения с 64 или 128 антенными элементами могут потреблять 2-3 кВт на единицу, по сравнению с 1 кВт для типичного радио 4G. В сочетании с существующим оборудованием LTE, бюджеты мощности сайта часто превышают доступные каналы переменного тока, резервное копирование батареи и охлаждающую способность. Операторы развертывают интеллектуальные функции энергосбережения, такие как забеливание на уровне символа, отключение несущей во время низкого трафика и расширенные режимы сна, определенные 3GPP. Активные антенные массивы с интегрированным охлаждением и использованием энергоэффективных усилителей мощности GaN (нитрид галлия) помогают уменьшить тепловое рассеивание. Тем не менее, обновления сайта для резервного питания и управления теплом необходимы.

Безопасность и взаимодействующие уязвимости

Интеграция двух поколений мобильных сетей расширяет поверхность атаки. Плоскость управления двойной связью в режиме АНБ пересекает как LTE, так и NR-ножки, делая сигнальные сообщения, подлежащие перехвату или модификации, если они не зашифрованы должным образом. Компоненты EPC Legacy 4G могут не иметь поддержки для специфических функций безопасности 5G, таких как сокрытие подписки и первичная аутентификация на основе протокола 5G AKA. Передача Inter-RAT требует безопасного извлечения и передачи ключа, что если не реализовано правильно, может привести к повторному использованию ключа или атакам понижения рейтинга. Инженеры должны обеспечить, чтобы аутентификация, защита целостности и шифрование последовательно применялись в обеих технологиях радиодоступа. Виртуализация основных функций также вводит новые риски; уязвимости гипервизора и неправильно настроенные сетевые срезы могут подвергнуть всю сеть компромиссу.

Мобильность и непрерывность обслуживания

Пользователи ожидают бесшовного подключения по мере перемещения между зонами покрытия 5G и 4G. В архитектуре АНБ устройство поддерживает первичное соединение с LTE (для управления) и может добавлять или удалять вторичный носитель NR. Однако, когда сигнал NR ухудшается, сеть должна инициировать «выпуск SCG (Secondary Cell Group)» и продолжать только с LTE. Эта процедура должна быть почти мгновенной, чтобы избежать сбоев. Передача между узлами EN-DC также включает непрерывность голосовых вызовов — VoLTE (Voice over LTE) должна поддерживаться в качестве основного голосового решения до полного развертывания VoNR (Voice over NR). Интеграция SIP-сигнализации и IMS (IP Multimedia Subsystem) добавляет еще один уровень сложности, требующий строгой синхронизации между ядрами EPC, 5GC и IMS.

Решения и лучшие практики для бесшовной интеграции

Сетевые операторы и поставщики разработали набор технологий и стратегий развертывания для преодоления этих проблем. В коммерческих сетях широко применяются следующие решения.

Динамический спектральный обмен (DSS)

DSS позволяет LTE и NR занимать один и тот же носитель, планируя свои блоки ресурсов в мультиплексном режиме разделения времени. Современные реализации DSS используют оценку трафика в реальном времени и машинное обучение для динамической настройки разделения между ресурсами LTE и NR. Например, когда трафик NR низкий, больше блоков ресурсов выделяется LTE для поддержания унаследованной производительности. Для снижения накладных расходов 3GPP ввела улучшения совместного планирования NR-LTE в выпуске 16 и 17, такие как планирование кросс-несущей и гибкая адаптация интервала поднесущей. Операторы также могут использовать дополнительные носители Uplink (SUL) - отдельный канал с низким диапазоном для восходящей линии NR, который уменьшает помехи с восходящей линией LTE в той же полосе.

Двухрежимное и многодисковое оборудование

Современные блоки базовой полосы и радиоголовки предназначены для поддержки одновременно LTE и NR на одной аппаратной платформе. Например, чипсеты базовой полосы, которые запускают оба стека PHY на совместно используемом вычислительном ресурсе, могут динамически распределять вычислительную мощность на основе нагрузки. Active Antenna Systems (AAS) с интегрированным цифровым лучом могут генерировать отдельные лучи для LTE и NR, или даже объединять их в единый луч, несущий обе формы волн. Это уменьшает пространство башни, кабели и энергопотребление. На практике операторы развертывают многодиапазонные радиостанции, которые охватывают 700 МГц (для LTE) и 3500 МГц (для NR) в одном блоке, упрощая обновления сайта.

Виртуализация и нарезка сети

Виртуализация отделяет сетевые функции от выделенного оборудования, позволяя 4G EPC и 5G Core работать на одной облачной инфраструктуре. Сетевой срез позволяет оператору создавать несколько логических сетей - каждая оптимизирована для различных типов услуг (например, eMBB, URLLC, mMTC) - по общей физической сети. В интегрированной настройке 4G / 5G срезы могут охватывать как доступ LTE, так и NR, причем 5GC действует как срезовый оркестратор. 3GPP срез с доступом гарантирует, что срез URLLC получает гарантированные ресурсы даже при перегруженности LTE-анхронизированной плоскости управления. Эта архитектура уменьшает потребность в выделенном оборудовании для каждого поколения.

Multi-Access Edge Computing (MEC)

MEC перемещает вычислительные ресурсы и ресурсы хранения из центральных центров обработки данных в сетевой край, уменьшая задержку для чувствительных ко времени приложений. Для интеграции 5G-4G платформы MEC часто развертываются в точке агрегации, где трафик LTE и NR сходится — обычно в шлюзе сотовой сети или региональном центре обработки данных. Это позволяет обрабатывать сверхнизкую задержку для обеих технологий доступа. Кроме того, MEC может размещать виртуализацию для сетевых функций, таких как UPF (функция пользовательского плана) и PGW ( шлюз PDN), позволяя трафику пользовательского плана обходить базовую сеть для локального прорыва. Это особенно полезно для приложений URLLC, таких как автономное управление транспортным средством или промышленная автоматизация, которые требуют согласованного времени обхода до 10 мс.

Самоорганизующиеся сети (SON) для мульти-RAT

Возможности SON, первоначально разработанные для LTE, были расширены для управления сосуществованием 5G-4G. Такие функции, как автоматическое соседское отношение (ANR), балансировка нагрузки мобильности (MLB) и оптимизация покрытия и емкости (CCO), теперь рассматривают как ячейки LTE, так и NR. Например, двигатель SON может обнаружить, что ячейка LTE перегружена, в то время как солокированная ячейка 5G имеет запасную емкость, а затем запустить обновление ANR для прямого двухрежимного устройства в направлении NR. Оптимизация параметров передачи Inter-RAT с использованием SON уменьшает количество пропущенных вызовов и сигнальных штормов. Алгоритмы машинного обучения, применяемые к SON, могут прогнозировать шаблоны трафика и корректировать распределение спектра за несколько часов.

Координированная многоточечная (CoMP) и агрегация перевозчиков

Агрегация несущих (CA) через LTE и NR-носители — известная как LTE-NR DC (двойное подключение) или EN-DC — является основополагающей техникой для ранних развертываний 5G. 3GPP Release 15 определен EN-DC, где LTE-ячейка действует как главный узел (MN) и NR-ячейка как вторичный узел (SN). Release 16 расширил это с NR-NR DC и NR-LTE DC с несколькими вторичными ячейками. Координированное планирование между MN и SN, часто используя интерфейс X2 или Xn, позволяет быстрое разделение на предъявителя и балансировку нагрузки. Реализация требует синхронизации с жестким временем (например, ошибка частоты 1 ppm) и соединение с низкой задержкой. Операторы, использующие эти методы, сообщают о до 30% прироста пропускной способности по сравнению с автономным LTE.

Передовые системы антенн и управление лучами

Массивный MIMO с 64-64 антенными элементами обеспечивает высокий пространственный мультиплексинг для LTE и NR. В интегрированных развертываниях один и тот же массив MIMO может обслуживать устройства LTE с использованием устаревших кодовых книг и устройств NR с использованием расширенного формирования луча с разнообразием циклических задержек (CDD). Процедуры управления лучом (например, ширина луча, уточнение луча, восстановление отказа луча) должны координироваться с опорными сигналами LTE-специфической ячейки, чтобы избежать интерференции между ячейками. Более новые конструкции используют гибридное формирование луча, которое сочетает в себе аналоговую и цифровую обработку для снижения энергопотребления при сохранении высокой пропускной способности. Операторы, такие как T-Mobile и Verizon, развернули массивные MIMO на 2,5 ГГц и 3,7 ГГц, совместно с LTE на 1900 МГц, достигая бесшовных передач.

Обновления и транспортная нарезка

Для обработки увеличенной емкости операторы модернизируют обратный переход от микроволновой печи к волокну, где это возможно, и используют модуляцию более высокого порядка (например, 256-QAM до 4096-QAM) по существующим микроволновым каналам. Транспортные сети на основе Ethernet с синхронизацией IEEE 1588v2 (Протокол точного времени) обеспечивают выравнивание времени между базовыми станциями LTE и NR в соответствии с требованиями стандарта sub-1 μs. Для нарезки транспорта маршрутизация сегмента по IPv6 (SRv6) и разделение сетевых ресурсов (NRP) обеспечивают определенные гарантии задержки и полосы пропускания для срезов 5G URLLC и eMBB при одновременном сосуществовании с устаревшим трафиком обратного движения LTE.

Примеры развертывания в реальном мире

Несколько крупных операторов уже внедрили интегрированные сети 5G-4G, предоставляя ценные уроки.

Ультраширокополосный 5G Verizon (mmWave + LTE)

Verizon развернула 5G с использованием mmWave (28 ГГц и 39 ГГц) в плотных городских районах, полагаясь на LTE для резервного покрытия. Сеть использует EN-DC (Option 3x), где якорь LTE управляет сигнализацией, а NR обеспечивает высокоскоростные данные. Verizon сообщила, что DSS в полосе 850 МГц позволил беспрепятственно перейти между mmWave 5G и LTE, хотя проблемы с проникновением и задержкой передачи привели к их возможному принятию C-диапазона (3,7 ГГц) для более широкого покрытия. Они также развернули массивную MIMO с формированием луча на C-диапазоне для управления помехами с существующим LTE на PCS и AWS диапазонах.

Интеграция среднего диапазона T-Mobile 2,5 ГГц

T-Mobile (теперь объединённая с Sprint) использовала полосу 2,5 ГГц — первоначально используемую для LTE — для развертывания 5G NR с использованием DSS и, в конечном итоге, полного NR на выделенном носителе. Они использовали многорежимные радиостанции, которые поддерживают как LTE, так и NR на одном и том же канале 2,5 ГГц, с распределением динамического распределения спектра, основанным на спросе в реальном времени. Их сеть теперь охватывает сотни миллионов людей с комбинированным 4G / 5G-следом, используя агрегацию несущих на 600 МГц, 1,9 ГГц и 2,5 ГГц для скоростей, превышающих 300 Мбит / с. Интеграция потребовала обновления обратного пути к волокну и развертывания узлов MEC на сайтах агрегации.

Массовое развертывание China Mobile

China Mobile с самого начала развернула 5G SA (Standalone), но также поддерживала совместимость с 4G. Они использовали NR на 2,6 ГГц с массивным MIMO и двойной связью с LTE на 1,9 ГГц и 1,8 ГГц. Их подход включал модернизацию каждой базовой станции для поддержки как LTE, так и 5G NR на одном и том же оборудовании (на основе 3GPP Option 2). Использование сетевого нарезки для разных классов обслуживания (eMBB для смартфонов, URLLC для промышленного IoT) было критически важным для их успеха. Они сообщили, что потребление энергии сначала удвоилось на сайт, но с адаптивными режимами сна и усилителями GaN они сократили накладные расходы до 40% выше наследия.

Будущее: к самостоятельности и за ее пределами

Промышленность неуклонно движется от архитектуры NSA (Option 3x/3a/7x) к архитектуре SA (Option 2/5). SA устраняет зависимость от 4G EPC, позволяя полностью контролировать функции 5G, такие как нативная нарезка сети, более высокая эффективность через ядро облачного RAT и упрощенная мобильность между RAT. Однако переход будет постепенным; многие операторы будут продолжать работать со смешанными сетями NSA + SA в течение многих лет. 3GPP Release 17 и 18 (5G-Advanced) вводят дополнительные улучшения для интеграции с несколькими RAT, включая прямое добавление вторичных ячеек NR-NR без LTE и улучшенную поддержку нелицензионного спектра (NR-U), который сосуществует с LTE-LAA. Рост 5G-Advanced (ожидается около 2025-2026) принесет оптимизацию сети на основе AI / ML, что еще больше снизит сложность управления двумя поколениями радио.

Долгосрочные исследовательские инициативы 6G направлены на унифицированные технологии радиодоступа, которые по своей сути поддерживают гибкие формы волн и архитектуру O-RAN — потенциально упрощая смену следующего поколения.

Заключение

Интеграция 5G с существующими сетями 4G LTE является многогранным инженерным делом, которое затрагивает управление спектром, развертывание оборудования, сетевую архитектуру, управление задержками и безопасность. Проблемы значительны, но решения - оптимизация DSS, многорежимное оборудование, виртуализация, MEC, SON, передовые антенны и транспортные обновления - обеспечивают четкий путь вперед. Реальные примеры от Verizon, T-Mobile и China Mobile демонстрируют, что бесшовное сосуществование 5G-4G не только возможно, но и уже обеспечивает более высокую пропускную способность, меньшую задержку и надежное покрытие для миллионов пользователей. По мере продвижения отрасли к автономному 5G и за его пределами уроки, извлеченные из этой интеграции, лягут в основу будущих поколений беспроводных сетей.