Система 5 джи что это такое
Как работает 5G и в каких странах применяют этот стандарт связи
Мы в Дубае — эмирате победившего если не коммунизма, то всеобщего благоденствия. Да, благосклонного в основном к своим, а не приезжим, но мобильная связь пятого поколения здесь доступна без имущественной дискриминации — были б только дирхамы на мобильном счету.
«Сейчас каждый тест сожрет по два гига трафика, будьте осторожны», — напутствует ведущий аналитик Mobile Research Group Эльдар Муртазин, перезаряжая обойму с сим-картой — с московской на местную. Мы ловим сеть пятого поколения — в правом верхнем углу экрана смартфона realme GT загорается 5G, а стрелка в приложении Speedtest ползет до 854 (!) Мбит/сек.
В то время как Москва продолжает довольствоваться куцыми зонами 5G и то в основном в метро — в силу массы причин, включая жадность Минобороны до выделения необходимых радиочастот, — арабы последовательно ведут свою страну от кишлаков в будущее из книжек фантастов.
Благодаря многомиллиардным вложениям в инновации национальный провайдер ОАЭ Etisalat смог побить рекорд по скорости интернета в 2020 году: был достигнут показатель свыше 70 Гб/с для частотного диапазона 2 ГГц. Etisalat занимает первое место в мире по процентному покрытию 3G и 4G сетей в стране. Полное покрытие страны сетью 5G к 2025 году не просто слова, а вполне осуществимое будущее: к 2022 году здесь намерены вообще отказаться от стандарта 2G.
Как работает 5G
Главный принцип работы сетей пятого поколения не отличается от предшественников: данные на локальную антенну какого-либо устройства передаются от «соты», или сотовой вышки. Соединяясь друг с другом по радиоволнам определенного частотного диапазона, они образуют глобальную сотовую сеть.
Какая тогда разница между поколениями? Усовершенствованная техническая составляющая. Растет количество антенн, что значительно увеличивает скорость, пропускную способность и уменьшает задержку между отправлением и принятием сигнала. Но ключевое отличие — в частотных диапазонах. Впервые в истории мобильной сети сотовая техника будет использовать миллиметровый диапазон, с помощью которого достигается максимальная теоретическая скорость в сумасшедшие 20 Гбит/с — это в 20 раз быстрее, чем пиковые скорости четвертого поколения.
Реальная скорость 5G сегодня колеблется в пределах от 50 Мбит/сек до 3 Гбит/сек, тогда как сети 4G в среднем показывают менее 10 Мбит/сек. На том же тестовом realme GT загрузка даже тяжелых игр занимала несколько секунд, и 5G позволял запускать не только мобильные версии, но и современные AAA-тайтлы. Само собой, для этого у смартфона должны быть еще и передовой процессор (на сегодня самый мощный — у Qualcomm, модель Snapdragon 888), экран с поддержкой частоты обновления до 120 Гц (иначе не будет эффекта от крутой графики), достаточно оперативной памяти и батарея с быстрой зарядкой не менее чем на 4500 мАч, которая выдержит часы гейминга и не попросит розетку спустя полчаса.
Но у миллиметрового диапазона есть слабость — низкая проходимость сквозь препятствия. Охват площади одной такой сотой невелик, поэтому их требуется большое количество, что в свою очередь ведет к росту себестоимости всей системы для оператора сотовой связи.
Расширение диапазона — не единственное новшество. Разделение сигнала позволяет получить абоненту те данные, которые изначально предназначались ему, без искажений и потерь — если бы сигнал был один общий на всех, то устройства просто не смогли бы декодировать его в исходные данные, случилась бы мешанина.
Технология разделения сигнала менялась вместе с поколениями сотовой связи. В 1G каждому абоненту выделялся свой собственный диапазон частот, через который он и получал сигнал от оператора. В 2G частоты были общими, однако получение данных происходило в различный для всех пользователей промежуток времени. В 3G рабочий диапазон также общий, но для каждого абонента данные кодируются по-своему — это позволило повысить скорость передачи.
Но когда вычислительные процессы перебрались на мобильники, это повысило скорость соединения, одновременно снизив энергоэффективность девайса. С приходом 4G разделение сигнала стало осуществляться при помощи цифровой обработки: канал, по которому проходят сигналы, разделяется на подканалы, в которых и обслуживается каждое устройство.
В 5G используется технология разделения, схожая с 4G, однако подканалы стали расположены ближе друг к другу, что значительно повысило эффективность сети. Главную роль в процессе играет технология Massive MIMO. Принцип ее работы основан на том, что сота передает несколько сигналов одновременно. Из-за того, что каждая такая волна сигнала проходит разный путь за разное время, то один сигнал, поступая к приемнику (например смартфону), накладывается на другой. В итоге оба сильно искажают друг друга — это так называемая межсимвольная интерференция. Проблема легко решается и в 4G, однако Massive MIMO — технология, которая позволяет создавать множество параллельных сигналов благодаря множеству антенн в соте. В то же время в современных смартфонах, планшетах и ноутбуках стоит не одна приемная антенна, как было раньше, а две, что позволяет технике анализировать каждый сигнал и правильно восстанавливать исходные сигналы. Итог — невероятный прирост в скорости приема различных сигналов.
5G – где и кому он нужен?
Даже не особо разбираясь в поколениях стандартов мобильной связи, любой наверняка ответит, что 5G — это круче, чем 4G/LTE. На самом деле, все не так просто. Давайте разберемся, в чём всё же 5G лучше/хуже и какие кейсы его использования наиболее перспективны с учетом текущего состояния.
Итак, что же нам обещает технология 5G?
(Источник картинки — Reuters)
Как это работает
Кто знает, как работает 5G – пропустите этот раздел.
Итак, за счет чего мы сможем достигнуть такой быстрой передачи данных в 5G, как описано выше? Ведь это не магия какая-нибудь?
Увеличение скорости произойдет благодаря переходу в более высокий частотный диапазон – ранее незадействованный. Для примера, частота домашнего WiFi составляет 2,4 или 5 ГГц, частота существующих мобильных сетей в пределах 2,6 ГГц. Но когда мы говорим о 5G, то здесь сразу речь о десятках гигагерц. Всё просто: увеличиваем частоту, уменьшаем длину волны – и скорость передачи данных становится в разы больше. Да и сеть в целом разгружается.
Вот наглядный комикс, как было и как будет. Было: 
Будет:
(Источник: IEEE Spectrum, Everything You Need to Know About 5G)
Частота повысилась в десятки раз, поэтому в 5G мы имеем дело с гораздо более короткими, миллиметровыми волнами. Они плохо проходят через препятствия. И в связи с этим меняется и архитектура сети. Если раньше связь нам обеспечивалась большими мощными вышками, которые давали связь на больших расстояниях, то теперь необходимо будет расставить много компактных маломощных вышек повсюду. И учитывайте, что в крупных городах станций потребуется очень много, за счет перекрытия сигнала высотными домами. Так, для уверенного оснащения Нью-Йорка сетями 5G нужно увеличить количество базовых станций в 500 (!) раз.
По оценкам российских операторов, переход на 5G для них будет стоить примерно 150 миллиардов рублей – стоимость, сопоставимая с предыдущими расходами на развертывание 4G-сети, и это даже несмотря на то, что стоимость станции 5G ниже существующих (но их нужно много).
Два варианта сети: стационарный и мобильный
Для уменьшения энергопотребления и повышения дальности используется технология beamforming — динамическое формирование радиолуча для конкретного абонента. Как же это делается? Базовая станция запоминает, откуда и во сколько пришел сигнал (он исходит не только от вашего телефона, но и как отражение от препятствий), и при помощи методов триангуляции высчитывает ваше примерное местоположение, а затем строит оптимальную траекторию сигнала.
Источник: Analysys Mason
Однако необходимость отслеживать положение приемника приводит к небольшому различию для фиксированного и мобильных вариантов использования, и это находит свое отражение в различных кейсах использования (об этом – чуть далее, в разделе «Потребительский рынок»).
Status Quo
Стандарты
Принятого стандарта 5G нет. Слишком сложна технология и слишком много игроков с противоречивыми интересами.
В стадии предложения высокой степени проработки находится стандарт 5G NR (New Radio) от организации 3GPP (3 rd Generation Partnership Project), которая разработала предыдущие стандарты, 3G и 4G. 5G использует два радиочастотных диапазона (Frequency Range, или сокращенно просто FR). FR1 предлагает частоты ниже 6ГГц. FR2 – выше 24ГГц, т.н. миллиметровые волны. Стандарт поддерживает стационарные и движущиеся приемники и является дальнейшим развитием стандарта 5GTF от американского телеком-гиганта Verizon, поддерживающего только стационарные приемники (такой вид услуг называется сетями фиксированного беспроводного доступа).
Стандарт 5G NR предусматривает три сценария использования:
Внедрение
С 2018 проводится масштабное тестирование, например, на зимних Олимпийских играх в Южной Корее. В 2018-м все российские операторы «большой четверки» провели тесты. МТС тестировала новую технологию совместно с Samsung — проверялись сценарии использования с видеозвонками, передачей видео высокого разрешения, онлайн-играми.
В Южной Корее, впервые в мире, 5G сервис был предложен в конце 2018-го. Всемирное коммерческое внедрение ожидается в следующем, 2020-ом году. На начальном этапе будет использоваться диапазон FR1 как надстройка к существующим 4G сетям. Согласно планам Минкомсвязи, в России 5G начнет появляться в городах-миллионниках с 2020-го года. На практике, масштабное развертывание будет определяться возможностью монетизации, и этот аспект 5G пока не ясен.
Сейчас 5G рассматривается телеком-операторами скорее в плоскости маркетинга: иконка 5G на экране телефона однозначно будет плюсом в глазах абонентов телеком-оператора. Показателен анекдотический случай с оператором AT&T, разместившим иконку 5G при отсутствии реальной сети, за что конкуренты предъявили ему судебный иск за обман.
Если хорошо присмотреться, то видно, что иконка на самом деле «5GE» — расшифровывается как 5G Evolution, и внезапно это не 5G, о котором мы думаем, а всего лишь лейбл, придуманный маркетологами для существующей LTE-сети с некоторыми улучшениями.
Чипсеты
Микроэлектронные компании уже инвестировали многие миллиарды долларов в 5G. Микросхемы для 5G NR сотовых модемов предлагает Samsung (Exynos Modem 5100), Qualcomm (Snapdragon X55 modem), Huawei (Balong 5000). Модемы от Intel, нового игрока на этом рынке, ожидаются к концу 2019. Модем Samsung выполнен по 10нм FinFET технологии, и совместим со старыми стандартами, начиная с 2G. В частотном диапазоне до 6ГГц обеспечивает скорость загрузки до 2 Гб/c, при использовании миллиметрового диапазона скорость возрастает до 6 Гб/c.
Телефоны
Практически все производители телефонов на Android объявили о планах внедрения 5G. Samsung представила флагман Galaxy S10 в версии для 5G на выставке Mobile World Congress в конце февраля 2019 г. Уже 5 апреля состоялся его релиз в Корее. В США новинка появилась 16 мая, и там соединение происходит с сетью телеком-оператора Verizon. Подтягиваются и другие операторы: AT&T заявляет о планах выпустить совместно с Samsung второй смартфон во 2-й половине 2019 года.
Потребительский рынок
Кейс 1. Домашний Интернет
Насколько в новинку этот сценарий будет для пользователей? Уже сейчас в некоторых странах перестают пользоваться традиционным домашним проводным интернетом, и переходят на LTE: оказывается быстрее и дешевле пользоваться мобильной связью во всех ситуациях, при наличии удобных тарифов. Такая ситуация, к примеру, сложилась в Корее. И она проиллюстрирована вот в этом комиксе: 
Кейс 2. Массовые скопления людей
Наверняка все бывали в такой неприятной ситуации: приходите на выставку или стадион, и пропадает мобильная связь. И это именно в тот момент, когда хочется запостить фото или написать в соцсети.
Стадионы
Samsung провел тест совместно с японским телеком-оператором KDDI на 30-тысячном бейсбольном стадионе. Используя тестовые 5G-планшеты, удалось продемонстрировать стриминг 4K-видео одновременно на нескольких планшетах.
Стадион – один из трех сценариев, которые проиллюстрированы в демозоне под названием 5G City, расположенной в г. Сувоне (штаб-квартире Samsung). Другие сценарии включают в себя городскую среду (подключение видеокамер, сенсоров и информационных табло) и высокоскоростную точку доступа для доставки HD-видео в движущийся автобус: пока он проезжает мимо точки, успевает скачаться фильм.
Компания Niantic – создатель всемирно известной геолокационной игры Pokemon Go – возлагает большие надежды на 5G. Не так давно в игре появились групповые события – рейды. В рейдах вам нужно скоординироваться с другими игроками, чтобы совместными усилиями победить особенно сильного покемона, и это создает интересные ситуации в реальной жизни. Так, главная легендарная локация игры с самым редким покемоном Mewtwo находится на Таймс-Сквер в Нью Йорке – можете себе представить, какая там способна собраться толпа, состоящая не только из охотников на покемонов, но и просто туристов.
Дополненную реальность также рассматривают как «killer app» для 5G. В этом ролике вы можете увидеть концепт магических поединков в реальном времени, которые сейчас разрабатываются Niantic в новой игре по мотивам «Гарри Поттера». Niantic уже заключила партнёрство с Samsung и операторами Deutsche Telecom и SK Telecom.
Транспорт
Наконец, интересен кейс с поездами. Появилась идея снабдить железную дорогу связью 5G для развлечений и комфорта пассажиров. Исследование Бристольского университета показало: чтобы добиться высокоскоростной бесшовной связи, нужно оснастить железную дорогу точками доступа на расстоянии 800 метров друг от друга!
Пример того, как нужно расставить точки доступа вдоль железнодорожного полотна
Были успешно проведены тесты на поезде, курсирующем возле Токио – их проводила Samsung совместно с телеком-оператором KDDI. В ходе тестов была достигнута скорость 1,7 ГБит/с, и в процессе теста произошло скачивание 8К-видео и загрузка 4К-видео с камеры.
Новые сценарии использования
Но всё это — скорее решение уже привычных нам задач. А что принципиально нового может предложить нам 5G?
Connected car
Основное преимущество – маленькая латентность, позволяющая машинам связываться друг с другом на скоростях до 500 км/ч. В отличии от людей-водителей, машины наконец смогут договориться между собой или с неподвижной инфраструктурой о маневрах, сделав дорогу безопасней. Интересно, что система будет учитывать погодные условия: все знают, что в скользкую погоду тормозной путь длиннее, поэтому и правила в такой системе должны меняться.
Европейская ассоциация 5GAA (Automotive Association) уже объединяет более 100 основных телеком- и автопроизводителей по всему миру с целью ускорить развертывание системы C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything). Основные задачи ассоциации – всеобъемлющая дорожная безопасность и эффективность движения. На безопасность могут рассчитывать также велосипедисты и пешеходы с 5G-смартфонами. Участники движения на расстояниях до 1 км смогут связаться напрямую, при больших расстояниях им понадобится наличие 5G-покрытия. Система обеспечит создание коридоров для полиции и скорой помощи, предусмотрит обмен сенсорикой между машинами, удаленное вождение и прочие чудеса. После запуска C-V2X ассоциация планирует применить полученный опыт в 5G V2X, где замахнется на индустрию 4.0, умные города и все, что движется использует 5G.
Примеры ситуаций, которые можно разрешить при помощи Connected Car. Источник: Qualcomm.
5G позволит связываться не только наземным машинам, но и летательным аппаратам. В этом году Samsung, совместно с испанским интернет-провайдером Orange, продемонстрировал, как удаленный пилот управлял полетом дрона, пользуясь развернутой 5G сетью, и получая видеопоток высокого разрешения в реальном времени. Американский провайдер Verizon в 2017-м купил оператора дронов Skyward, обещает миллионы 5G-подключенных полетов. Дроны компании уже подключены к запущенной 4G-сети Verizon.
Индустрия 4.0
Вообще выражение «Industrie 4.0» придумали в Германии для своей программы модернизации промышленности. Ассоциация 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) со штаб-квартирой в Германии объединяет с 2018 года производственные компании, заинтересованные в использовании 5G. Наибольшие требования к латентности и надежности предъявляет контроль движения промышленных роботов, где время отклика не может превышать десятков микросекунд. Сейчас это решается с помощью Industrial Ethernet (например, стандарт EtherCAT). Вполне вероятно, что 5G поборется и за эту нишу!
Другие применения, такие как связь между индустриальными контроллерами или с человеком-оператором, сенсорные сети, менее требовательны. Сейчас большинство таких сетей используют кабель, так что беспроводный 5G представляется экономически оправданным решением, вдобавок позволяющим быструю реконфигурацию производства.
На практике, экономическая целесообразность приведет к внедрению 5G в наиболее дорогостоящих областях, связанных с оплатой человеческого труда, например, водителей погрузчиков на фабриках и складах. Так, европейская инженерная компания Acciona продемонстрировала автономную роботележку MIR200. Тележка передает 360-видео в высоком разрешении, удаленный оператор поможет ей выехать из непредвиденной ситуации. Тележка использует 5G-технологии Cisco и Samsung.
Технологии дистанционного сотрудничества пойдут дальше. В этом году было продемонстрировано, как хирург-эксперт в реальном времени наблюдает за ходом онкологической операции, происходящей за многие километры от него, и показывает своим коллегам, как лучше производить операцию. По мере усовершенствования технологии, он сможет принять более активное участие, уже непосредственно управляя хирургическими инструментами.
Интернет вещей
Прежде всего, 5G решит проблему с многочисленными и плохо поддерживаемыми стандартами связи Интернета вещей, которая сейчас, по нашему мнению, ограничивает развитие этого направления.
Здесь 5G может предложить следующее:
Завершая эту тему, обратим внимание на следующую интересную возможность. Сейчас зависимость от розетки или необходимость замены батарей ограничивает выбор «вещей». Низкочастотная индуктивная беспроводная зарядка работает лишь на расстоянии в несколько сантиметров. 5G и его направленные миллиметровые волны позволят эффективную зарядку на расстояниях в несколько метров. Хотя существующие стандарты это и не оговаривают, мы не сомневаемся, что инженеры скоро найдут способы воспользоваться этой возможностью!
Возможности для разработчиков
Если вас заинтересовала тема, то куда двигаться дальше?
Связи. Лично познакомиться с 5G-игроками можно будет на ближайших российских конференциях Сколково Startup Village 2019 29-30 мая, Wireless Russia Forum: 4G, 5G & Beyond 2019 30-31 мая, CEBIT Russia 2019 25-27 июня, Smart Cars & Roads 2019 24 октября.
Из академических контактов следует отметить Moscow Telecommunication Seminar проводимый в Институте Проблем Передачи Информации.
Трудоустройство. Помимо сотовых операторов большой четверки, в России есть несколько компаний, планирующих использование 5G в ближайшем будущем. Бизнес-модель ведущего провайдера доставки контента в России и СНГ, компании CDNVideo – плата за объем полученного трафика. Использование 5G, потенциально снижающего эту цену, позволит компании снизить издержки. Компания PlayKey продвигает игры в облаке, неудивительно, что и в ее планах использование 5G.
Open Source, по видимости, будет играть ключевую роль в инфраструктуре. Американский Open Networking Foundation поддерживает 5G. Европейский OpenAirInterface Software Alliance объединяет желающих обойти проприетарные компоненты 5G инфраструктуры. Стратегические направления включают поддержку 5G модемов и software-defined систем, гетерогенные сети и интернет вещей. O-RAN Alliance виртуализирует сети радиодоступа (Radio Access Networks). Реализация ядра сети доступно от Open5GCore.
Станислав Полонский — Начальник управления перспективных исследований и разработок Исследовательского центра Samsung
Татьяна Волкова — Автор учебной программы проекта IoT Академия Samsung, специалист по программам корпоративной социальной ответственности Исследовательского центра Samsung
Почему и как 5G изменит все: технологии, поэтапное внедрение и элементная база для абонентского оборудования
5G не просто новый стандарт мобильной связи, внедрение сетей 5-го поколения в долгосрочной перспективе преобразует наше восприятие мира и приведет к социальной трансформации общества. При этом изменится экономика сетей: средняя скорость передачи увеличится в 40 раз, а себестоимость доставки напротив уменьшится в 30 раз. Уже к 2024 году, по мнению аналитиков, до 30% мобильного трафика будет идти через устройства с поддержкой 5G. На технологию 5G к 2025 году будет приходиться 15% всего мирового сектора мобильной телефонии (прогноз GSMA, www.gsma.com); на Европу и Китай этот показатель составит 30%, а на США 50%.
Данная статья постарается раскрыть тему применимости мобильной связи 5-го поколения (далее — 5G) в нашем, уже недалеком, будущем. Материал статьи, не претендуя на академический характер повествования, расскажет, чем 5G интересен и как разработчики пользовательского оборудования (User Equipment или UE) могут начать формировать рынок 5G устройств уже сегодня. Доступ UE к сетям 5G можно осуществить посредством соответствующих модулей сотовой связи; в конце статьи коротко рассмотрим номенклатурный ряд 5G-модулей SIMCom Wireless Solutions, их основные характеристики и разницу между ними.
Ключевые показатели стандарта 5G и технологии
5G (от англ. fifth generation — пятое поколение) — поколение мобильной связи, работающее в соответствии со стандартами телекоммуникаций, следующих за существующей технологией LTE (4G).
Консорциум 3GPP начал формирование спецификации 5G-NR (NR – New Radio, технология радиодоступа для сетей подвижной связи 5-го поколения) в 2015 году. Тогда были озвучены планы по подготовке спецификаций. В соответствии с этими планами 1-ая фаза спецификаций должна была завершиться до второй половины 2018 года (в рамках релиза 15 3GPP), а 2-я фаза – до декабря 2019 года (в рамках релиза 16 3GPP). На данный момент 1-ая фаза завершена с задержкой на год, а 2-ая смещена на третий квартал 2020 года.
План релиза спецификаций 3GPP (источник: https://www.3gpp.org)
Стандарты и спецификации 3GPP созданы участниками рынка и учитывают самые разные бизнес-задачи, у каждой из которых, конечно же, есть свои специфичные требования. Так, рекомендация 3GPP TR 38.913 определила следующие ключевые показатели сетей нового поколения:
Частота и ширина полос
| Блок радиочастот | Радиочастотный диапазон |
|---|---|
| FR1 | 450 MHz – 6 000 MHz |
| FR2 | 24’250 MHz – 52’600 MHz |
Massive MIMO и Beam Forming (формирование луча)
Формирование луча при помощи MIMO антенн не является новой концепцией и уже существует на рынке сотовой связи в качестве AAS (Active Antenna System, активная антенная система). AAS MIMO антенна, установленная на вышке, позволяет разбить зону покрытия на статические ячейки, тем самым увеличивает эффективность использования спектра, а значит увеличивает количество каналов. Но современные перегруженные сети нуждаются в динамическом цифровом формировании луча для получения максимальной эффективности использования спектра.
2D MIMO антенна (слева) и Massive MIMO антенна (справа)
Применение концепции MIMO антенн в миллиметровом диапазоне FR2 становится еще более интересным т.к. миллиметровые радиоволны обладают хорошими показателями направленности за счет увеличения в разы количества антенных элементов на антенну. Массив таких антенных элементов (256 и более) можно соединить в одну т.н. антенну Massive MIMO. Контролируя фазу и амплитуду сигналов, такая антенна способна динамически формировать множество сильных и острых лучей в направлениях конкретных пользователей. Так, с Massive MIMO мы получаем:
| Sub6G | mmWave | |
|---|---|---|
| Порядок MIMO | до 8х8 | 2х2 |
| Смысл | Статичное пространственное мультиплексирование для множества пользователей | Динамическое формирование луча для одного пользователя |
| Характеристика | Многолучевое распространение, идеален для пространственного мультиплексирования. Протяженная зона покрытия, покрытие внутри зданий. | Распространение в прямой видимости. Массовые соединения со сверх широкой полосой пропускания. |
SRS (Sounding Reference Signal, излучение опорного сигнала)
Технология, известная еще с 14-го релиза 3GPP, является важным дополнением к Beamforming. Она позволяет базовой станции узнать о качестве канала через специальный пакет, посылаемый от UE. Обычно большинство UE могут поддерживать отправку SRS только через свою основную передающую антенну. Следовательно, базовая станция может получать информацию канала только для этой антенны. Однако, используя технологию выбора передающей антенны, можно получить полную информацию о каналах всех антенн UE. Следовательно, базовая станция может генерировать луч в направлении UE наиболее лучшим образом. Как результат, пропускная способность UE значительно увеличится, особенно в точках на дальнем и среднем удалении от базовой станции (до +40%).
Network Slicing или «Нарезка сети»
По логике этой концепции, операторы сотовой связи смогут разворачивать изолированные друг от друга сети, каждой из которых можно выделить/назначить свой набор ключевых показателей — для Интернета вещей, широкое покрытие, для городского транспорта – широкую полосу и низкий отклик. Работа данной технологии будет возможна при переходе на ядро сети нового поколения.
Сценарии и примеры оказания услуг мобильной связи в сетях 5G
Если заметили, некоторые из ранее перечисленных показателей, такие как, например, пиковая скорость передачи данных и автономность, просто несовместимыми и даже являются взаимоисключающими. Но все сразу эти показатели и не должны выполняться одним устройством единовременно или в принципе поддерживаться всем списком. Идея заключается в различии разных видов сценария оказания услуг радиоподвижной связи в зависимости от степени важности (высокая, средняя, низкая) того или иного показателя. В концепции Network Slicing, физическая архитектура 5G будет разделена на множество виртуальных сетей или слоёв, каждый из которых предназначен для своего сценария использования. Каждый из сценариев будет удовлетворять тому или иному набору ранее указанных показателей и, соответственно, нацелен на свой сегмент рынка.
Спецификация определяет всего три сценария:
NB-IoT и eMTC для mMTC
mMTC — это сценарий межмашинного взаимодействия, когда участие человека минимально, а все процессы автоматизированы. К устройствам mMTC относятся: счетчики воды, газа, электричества; контроллеры уличного освещения; датчики парковочного места; GPS/ГЛОНАСС-закладки; различные сенсоры дыма/огня; датчики взлома; «умные» мусорные баки и прочие IoT-устройства. Как видно, здесь совсем не важны высокая скорость и сверхнизкие задержки, но очень важны автономность и огромное число подключений в сети. Речь идет о т.н. LPWA (Low Power Wide Area) устройствах – о массовых, простых и дешевых устройствах с ультранизким потреблением, способных работать от одной батареи до 10 лет.
Стандарты и спецификации для сетей LPWA были заложены в релизах 13 (Cat.NB1 и Cat.M1) и 14 (Cat.NB2 и Cat.M2) 3GPP и в настоящее время сети NB-IoT (они же LTE Cat.NB1/NB2) и eMTC (LTE Cat.M1/M2) уже запущены в коммерческую эксплуатацию. Сети для таких устройств характеризуются низкими скоростями передачи (до 150 кбит/сек в LTE Cat.NB2 и до 1 Мбит/сек в LTE Cat.M1), широким и «глубоким» покрытием. Надо отметить, что прелесть NB-IoT и eMTC в том, что развертывание сетей со стороны операторов сотовой связи не требует огромных вложений и выделения отдельных частотных полос – эти LPWA сети могут работать в существующих частотных полосах и на существующем сетевом оборудовании, при этом одна базовая станция может обслуживать более обширную территорию по сравнению с существующими сетями 2G, 3G или LTE.
О том, как получить доступ к сетям NB-IoT при помощи модулей сотовой связи SIMCom Wireless Solutions можно прочитать в наших статьях.
5G для URLLC и eMBB
Формально, сети NB-IoT и eMTC можно отнести к сетям 5го поколения, но в данной статье говоря о 5G мы будем говорить о высокоскоростной технологии. Итак, сценарии URRLC (будет включен в релиз 16 3GPP) и eMBB (уже определен в релизе 15 3GPP) находятся в зоне ответственности 5G. Сценарий URRLC, из своего названия, означает сверхнадежная связь с низкой задержкой. А eMBB — сверхширокополосная, а значит, высокоскоростная связь.
Казалось бы, скорости и время задержки в существующих LTE сетях удовлетворяют большинству современных пользователей. Зачем потребителю 5G и какая от него польза?
Давайте рассмотрим инфограмму на рисунке 4, она отражает сферы применения услуг в зависимости от требований к пропускной способности и задержкам. В светлой части мы видим современные сферы применения, ставшие для нас повседневностью – такие как: онлайн игры, просмотр и выгрузка видео, удаленная телеметрия, контроль объектов, датчики и проч. Все эти приложения довольствуются каналом до 100 Мбит/сек и задержками выше 10 мсек.
Сферы применения в зависимости от требований к пропускной способности и задержкам в сети мобильной связи
А теперь обратим внимание на синюю часть инфограммы – это та область, которая открывается с 5G. Видно, что в целом 5G может как улучшить существующие сферы применения, так и породить новые. Рассмотрим некоторые самые интересные применения отдельно. Они нам помогут понять на сколько важным для нас на самом деле является внедрение сетей 5G. Начнем с простого – потоковое видео.
Потоковое видео
Участниками рынка прогнозируется смещение такого классического приложения как «видеостриминг» вправо, в сторону увеличения скоростей передачи данных без особых требований к задержкам. Главным драйвером для этого станет потребность в высококачественном 8K видео.
Сегодня в продаже есть телевизоры с поддержкой 4K видео и некоторые провайдеры предоставляют видеоконтент такого качества. Но надежный доступ к такому контенту, могут получить разве что подключенные к оптоволоконному интернету, доступ к которому есть не во всех населенных пунктах. С появлением 5G 4К и даже 8К видео станут нормой для всех жителей города и пригорода, а в сфере кино/фото-производства такому качеству как детализация станут уделять еще большее внимание.
Требования к пропускной способности сети различных форматов видео
Потребление видеоконтента на широкоформатном телевизоре устанавливает требования к пропускной способности на скачивание. Однако 5G открывает более высокие скорости и на выгрузку. Это откроет двери для внедрения городских систем видеонаблюдения с интеллектуальным распознаванием лиц на всех континентах. В таких системах вся вычислительная часть с искусственным интеллектом находится в сети, от камер видеонаблюдения требуется лишь суметь передать на сервер видео должного разрешения. В мире есть примеры внедрения таких систем.
Правительство Шанхая (Китай) пользуется такой системой уже с 2015 года. К ней подключено более 170 млн. «умных» видеокамер. Для примера [2], данная система помогла обнаружить преступника, в 50 тысячной толпе на пути с концерта популярного певца. На концерт он пришел вместе с супругой и, по словам задержанного, тот рассчитывал затеряться в толпе.
На практике такие системы приносят городу не только экономию средств на обеспечении безопасности и оперативно-розыскных мероприятиях, но и порождают положительный социально-экономический эффект — граждане и туристы не боятся покупать дорогие вещи, посещают публичные места в любое время дня, а бизнес не опасается за сохранность клиентов и имущество, теперь это задача города.
С появлением 5G данная система лишь стала более эффективной и менее затратной при развертывании и обслуживании, а значит — доступнее.
Работа интеллектуальной системы распознавания лиц по потоковому видео с уличных камер
Sky Office
На ранней стадии коммерческого развертывания 5G, за исключением смартфонов, ожидается, что ключевым 5G продуктом станет именно ноутбук с подключением к Sky Office. Sky Office – это концепция переноса вычислительных мощностей ноутбука в облако, при оснащении ноутбука встроенным 5G модемом. Так, в облаке могут размещаться не только файлы пользователя (Cloud Drive), но и программное обеспечение, такое как MS Office 365 (Cloud Office) или игровые программные продукты (Cloud Games). В этой концепции ноутбук становится, проще говоря, экраном с клавиатурой и камерой.
Концепция Sky Office
Если сети сотовой связи обеспечат задержку в единицы миллисекунд и предоставят выделенный надежный канал связи на безлимитной основе (Network Slice), то работа со Sky Office в будущем может стать популярным способом применения ноутбука. При этом потребитель получит ряд интересных потребительских качеств, недостижимых с обычными ноутбуками:
Виртуальная и дополненная реальность
Индустрия развлечения всегда была локомотивом в развитии бытовой электроники. Самые высокие требования к производительности исходят именно от потребителей игровых консолей. Самым передовыми, но и менее распространенными технологиями в мире игр являются виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR).
Всем известные компании Sony и Microsoft уже как несколько лет предлагают аксессуары для VR и соответствующие 3D игры.
VR от Sony PlayStation, источник: www.playstation.com
VR от Microsoft, источник: www.microsoft.com
Постепенно VR и AR выйдет за рамки игровой индустрии и неизбежно перекинется на образование, медицину, промышленность – потенциал переоценить сложно. На рисунках 10-13 приведены некоторые примеры применения AR из материалов презентации «Microsoft Hololens 2». Следующим шагом в этой отрасли будет совмещение AR и VR с 5G. Технически это уже осуществимо благодаря новому чипсету Qualcomm Snapdragon XR2, совмещающий в себе 5G модем и специализированный XR (от VR+AR) процессор с поддержкой искусственного интеллекта, реагирующим на мимику «пилота».
Понятно, что с 5G онлайн игры только приобретут. С переносом вычислительных мощностей в облако (Cloud Gaming) игровые консоли станут менее загруженными, от этого видео станет более плавным, детальнее и динамичнее. Преодолев технологический барьер с 5G, рынок AR/VR-игр станет более востребованным. Многим откроются виртуальные путешествия в другие города, погружения на дно океана и даже полеты в космос. Известный факт, что восприятие мира человеком сильно зависит от того что он видит, с XR+5G кругозор среднего обывателя значительно расширится, изменит подходы общества к изучению мира и созидательной деятельности во всех сферах.
Студенты изучают структуру микроорганизмов
Медицинский работник проводит анализ результатов МРТ
Инженер проводит наладку техники
Работник завода проводит сборку двигателя
Тактильный интернет
В продолжение темы о XR и искусственном интеллекте, надо сказать отдельно о производном направлении, как тактильный интернет. Тактильный интернет (далее ТИ) — передача тактильных ощущений, прикосновений на любые расстояния с минимальной, практически не ощутимой задержкой. Название технологии было предложено в Дрезденском техническом университете, там еще в 2012 году начались работы по созданию роботизированных систем, способных удаленно передавать ощущения.
Сейчас ученые работают над созданием искусственного прикосновения путем внедрения датчиков в мягкие роботизированные структуры и наиболее чувствительных сенсорных датчиков. Сейчас датчики уже умеют воспроизводить силу и характер касания, различают разные материалы: металл, дерево, текстиль и т.д.
ТИ выдвигает требования, которые будут под силу сетям 5G:
С помощью ТИ можно учить рисовать, играть на музыкальных инструментах, делать удалённые хирургические операции т.е., всё, что требует навыков «мелкой моторики». В электронной торговле можно применить данную технологию для того, чтобы потрогать или примерить на себе товар до его покупки. Музейные экспонаты можно будет трогать и даже ощутить в руке вес древних артефактов. Многопользовательские онлайн шутеры с XR+ТИ станут реалистичнее, можно будет ощутить боль, толчки, удары, жару и холод.
Первые практические примеры применения ТИ в хирургии уже есть и сегодня. В США проходят тесты для внедрения т.н. «телехирургии», когда хирург проводит хирургическую операцию удаленно, через сеть 5G. Телехирургия сильно отличается от классической телемедицины – речь идет не о простой видеотрансляции в режиме конференции, а о «присутствии» хирурга во время операции. Его движения, точность, личные навыки, мгновенная реакция на события – все будет передано через сети 5G без физического присутствия и без ухудшения качества операции. Так, услуги редких специалистов станут доступнее, а пациенты смогут выбирать хирурга независимо от страны проживания.
БПЛА (дроны)
Телехирургия выставляет высокие требования к задержкам и надежности связи, но есть еще одна сфера требующая ко всему прочему и массовость подключения – БПЛА (Беспилотные Летательные Аппараты или «дроны»). Сегодня никого не удивишь легкими беспилотными дронами самых разных назначений – от развлекательных до специализированных военных дронов. С их помощью снимают эффектные видео, проводят разведку местности, спасают людей, перевозят грузы и т.д. Но почти все они управляется человеком напрямую, имеющим прямой беспроводный надежный контакт на не лицензируемой частоте.
В разрезе внедрения 5G, в прогрессивных странах со стороны регулирующих органов к данной теме уже сегодня обращено серьезное внимание, в связи с чем проводятся работы по стандартизации и обеспечению безопасности в этой сфере. К примеру, в Европе существует специальная экспертная группа 5G PPP (5G Infrastructure Public Private Partnership, www.5g-ppp.eu/5gdrones) на базе Европейcкой Комиссии и представителей индустрии информационно-коммуникационных технологий (операторы, провайдеры, институты, малый и средний бизнес) из Британии, Франции, Швейцарии, Австрии, Финляндии, Греции, Польши и Эстонии. Государственно-частное партнерство 5G PPP будет предлагать решения, архитектуры, технологии и стандарты для БПЛА. Через данную государственную инициативу Евросоюз видит один из путей для укрепления своего технологического лидерства на мировой арене.
При наличии стандартов, регулирующих массовый оборот дронов, систем искусственного интеллекта, надежного, постоянного и быстрого беспроводного канала связи 5G для целого улья дронов, можно раскрыть новые рынки и сервисы в самых разных сферах. Представьте: дрон-курьеры, разносящие еду из магазинов или важные медикаменты в труднодоступные места; дроны-спасатели, ищущие потерявшихся в лесу или море людей и днем, и ночью; дроны-пожарные, тушащие очаги возгорания еще на начальной стадии; агрокоптеры, опрыскивающие зерновые культуры – и все в глобальном масштабе, а не в частных случаях.
Швейцарский почтовый дрон Swiss Post от Matternet
Транспортировка людей в труднодоступные места на грузовом дроне
Агрокоптер проводит обработку сельско-хозяйственных угодий
Пожарный дрон Predator-100 (Китай) тушит пожар
Спасательно-поисковый дрон швейцарской авиационно-спасательной организации Rega, самостоятельно ищущая людей
Дрон DJI Matrice 600 Pro доставляет почки умершего человека (США)
Инфраструктура C-V2X
От БПЛА перейдем к беспилотным транспортным средствам. Многие видели видеопрезентацию Tesla (www.tesla.com), где электромобиль под управлением искусственного интеллекта движется по городу с минимальным участием водителя. Или другой пример – сервис Waymo (www.waymo.com), который позволяет при помощи мобильного приложения вызвать такси и доехать на нем до выбранной точки без водителя за рулем.
Работа автопилота Tesla в движении с водителем за рулем
Работа Waymo в движении без водителя за рулем
Оба сервиса построены на разных принципах работы, под управлением мощного искусственного интеллекта, встроенного в авто. Авто принимает ситуативное решение на основе визуальной информации и данных с лидара (Waymo). «Умное» авто находится в условиях окружения «не умных», непредсказуемых авто, находящихся под управлением человека.
Существует инфраструктурный подход к беспилотному вождению, закрепленный в 14-м релизе 3GPP – C-V2X. Аббревиатура C-V2X означает Cellular Vehicle-to-Everything, это концепция передачи информации от транспортного средства любому объекту, который может повлиять на транспортное средство, и наоборот. Данный подход позволяет транспортному средству «общаться» с другими авто (V2V), инфраструктурой (V2I), сетью LTE (V2N), электросетью (V2G), пешеходами (V2P) и даже домами (V2H). 15-й релиз 3GPP так же внес возможность общения авто и с сетью 5G, от чего C-V2X стал более привлекательным благодаря сервису URLLC.
Таким образом транспортные средства, подключенные к системе C-V2X, смогут «видеть» всю картину дорожной обстановки, «знать» о взаимном положении, препятствиях, опасных участках, а искусственный интеллект, расположенный в сети, не просто сформирует для них траекторию движения в отдельности, а сделает это с учетом взаимного влияния на транспортную систему. Такие системы решат проблему транспортировки лучше и безопаснее любого водителя, сократят время в пути каждого участника движения, сделают движение предсказуемым, безопасным и энергоэффективным.
Международная консалтинговая компания PricewaterhouseCoopers (PwC) прогнозирует, что первые машины без водителей появятся на дорогах общего пользования уже в 2021 году, а к 2040 году весь транспорт мегаполисов по всему миру станет беспилотным. Однако, первое время такой транспорт будет требовать внимание со стороны водителя при определенных ситуациях по ходу движения. В этот период будут также решаться правовые вопросы, связанные с беспилотным и электротранспортом. В частности, юридические и страховые аспекты. Будет затрачено определенное количество времени на создание сети зарядных станций для электрокаров.
В России данный сервис уже находится на стадии НИР и прототипирования. В 2018 российский оператор Мегафон в партнерстве с КАМАЗом провел моделирование сервиса V2X в пилотной зоне на базе беспилотного электробуса «ШАТЛ».
Моделирование V2X в пилотной зоне на беспилотном 12 местном пассажирском электробусе «ШАТЛ» от КАМАЗ (Казань, 12 июня 2018)
Теперь, перечислив множество примеров, где 5G будет как никогда кстати, разберемся какое на сегодня состояние сетей 5G и какие барьеры нужно преодолеть на пути к фантастическому будущему.
Состояние сетей 5G в мире и в России
Процесс внедрения сетей 5G в коммерческую эксплуатацию начался уже с 2019 года, правда, пока покрытие таких сетей весьма скромное. На начало 2020 года, сети 5G запущены в эксплуатацию у 47 операторов в 22 странах мира, а вместе с теми, кто запланировал запуск или ведет тестирование будет 279 операторов в 109 странах.
Количество базовых станций 5G-NR в коммерческом обращении [3]
Коммерческие, запланированные и пилотные сети 5G
Что касается абонентского оборудования, то в продаже уже имеется множество моделей 5G смартфонов, роутеров и CPE.
Модели 5G-смартфонов
Первые пользователи уже оценили значительный рост скорости передачи в режиме 5G. Результаты тестов Qualcomm (май 2019) показывают повышение скорости скачивания у 5G устройств по сравнению с LTE устройствами в 3.3 раза. В будущем этот показатель будет выше за счет более плотного покрытия и перехода от LTE EPC ядра к пакетному 5G ядру сети.
В России «большая четверка» операторов в период с августа по сентябрь 2019 года уже провели первые тесты и запуск пилотных сегментов 5G сетей. По результатам тестов на данном этапе задержки в сети в движении вышли менее 10 мсек, а скорости достигали 2 Гбит/Сек на скачивание. Пилотные зоны 5G можно найти на улицах Москвы (Парк Зарядье, Москва Сити, Воробьевы горы, ВДНХ, Сколково, GMS-Hospital, СК Лужники, ст.м.Горький), Казани, Кронштадта и в лабораториях операторов сотовой связи.
Тестирование скорости скачивания (1.3 Гбит/сек) на смартфоне Huawei “Mate X” в сети оператора Билайн (Москва)
Тестовые зоны 5G от МТС (режим NSA, применены LTE FDD 1800 МГц из блока FR1 и mmWave в полосе n257)
Согласно российской программе «Цифровая экономика», устойчивое покрытие сети 5G должно быть обеспечено к 2024 году во всех крупных городах с населением от 1 миллиона человек. В настоящий момент модель развития российских сетей 5G до конца не определена. Проблема, как и в прочих странах, заключается в выборе радиочастотных полос. Операторы считают наиболее привлекательным для 5G диапазон 3,4-3,8 ГГц (n78 и n79), однако он занят другими пользователями, в основном, военными и спецслужбами, и требует работы по высвобождению. Больше ясности с частотными диапазонами появится в 4-м квартале 2020 после открытых торгов, на которых Роскомнадзор должен распределить радиочастоты в формате аукциона.
Путь от LTE к 5G
Как было сказано, текущие сети 4G не выдерживают требований, выдвигаемых новыми сценариями применения. Кроме плотности подключений, пропускной способности радиочасти и проч., задержки в сетях 4G довольно велики. Задержки складываются из задержек в радиочасти и в инфраструктурной части и сегодня они составляют десятки миллисекунд. В долгосрочной перспективе, для полноценных 5G сетей, в том числе и для поддержки Network Slicing и URLLC, потребуется как новая сетевая инфраструктура NGCN (Next Generation Converged Network), так и модернизация сети радиодоступа. Ясно, что провернуть такой объем работ разом невозможно.
Задержки в сети 4G
Консорциум 3GPP изначально учел сложность развертывания новых сетей и принял на вооружение сценарии перехода от стандартной конфигурации LTE сетей (#1) к 5G. Внедрение 5G предлагается сначала проводить поверх существующей инфраструктуры LTE EPC в режиме NSA (Non-Standalone, #3), как это делали операторы сотовой связи весь 2019 год. В такой конфигурации задержки на радиочасти сократятся, но виду ограничений LTE ядра EPC, общий показатель задержки будет далек от требований URLLC. Главный смысл такой конфигурации в другом — в радиочасти мы получим значительное повышение пропускной способности достаточных для большинства существующих приложений eMBB, а также стабильность соединения при большом количестве подключившихся абонентов на одну базовую станцию.
Сценарии построения сети 5G начального и промежуточного периодов
Начальная модель NSA (#3) направлена на улучшение качества мобильного широкополосного интернета для повышения надёжности и объёма передаваемых данных путём использования подключения в режиме EN-DC (E-UTRAN New Radio — Dual Connectivity). Пользовательские терминалы, поддерживающие EN-DC, могут одновременно подключаться к базовым станциям LTE и 5G, при этом базовая станция LTE является якорной (требуется модернизация до ng-eNb, или new generation eNB). Пользовательский терминал (UE) изначально регистрируется в сети через E-UTRAN на низких частотах ( Сценарии применения в разных частотных диапазонах 5G
На данный момент уже имеется несколько примеров реализации проектов на базе модулей 5G, такие как CPE, роутеры, дрон-самолет и USB-модемы и проч. По опыту компании, надо сказать, от разработчика требуется высокая компетенция в области конструирования ВЧ техники подобного класса, особенно в случае с модулями 83-й серии, т.к. они для работы в миллиметровом диапазоне (mmWave) требуют подключение от 2-х до 4-х внешних антенных модулей QTM525-2 или QTM527-2, которые должны удовлетворять некоторым условиям взаимного расположения.
5G-USB Dongle UM80 на базе SIM8200EA-M2
Антенные модули миллиметрового диапазона QTM525-2 (а) и QTM527-2 (б)
Антенные модули внутри корпуса совмещают слоистую антенную структуру, блок питания, фильтры, усилители и цепь частотного преобразования. Антенный модуль соединяется с модулем 5G через гибкий шлейф и парный ВЧ кабель (синие линии на рис.ниже), через которые распространяются сигналы вертикальной и горизонтальной поляризаций (IF-V и IF-H). Для работы антенных модулей требуются два источника питания, один из них поставляется непосредственно от модуля (1.9В, желтая линия на рис.ниже), а другой от внешнего источника (3.3В, красная линия на рис.ниже). При этом модуль управляет включением и выключением антенных модулей отдельным цифровым сигналом.
Подключение 4 sub6G антенн и 4 модульных антенн к модулю 5G на плате устройства
Разработчикам для тестирования модулей 5G предоставляются отладочные наборы, с помощью которых можно на начальном этапе оценить работу в диапазонах sub6G и mmWave без больших затрат времени.
В России модули 5G впервые были презентованы в январе 2020 на специализированной конференции «5G: от технологии к реализации» в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича. В рамках конференции заинтересованные участники рынка, такие как: Qualcomm, Huawei, Megafon, SIMCom Wireless Solutions и другие, обсудили текущее состояние сетей 5G в России и мире, технические решения, проблемы внедрения и многие другие вопросы, в том числе и частотный спектр для сетей пятого поколения. Частотные диапазоны под сети 5G в России пока до конца не определены, операторам сотовой связи еще предстоит провести множество тестов, в том числе модулей сотовой связи различных производителей, чтобы определиться с выбором полос в тех или иных регионах. Однако, у представленных модулей 5G список поддерживаемых полос обширен, а это значит, что практически любые комбинации диапазонов, выбранные операторами, модулями будут поддерживаться.
Как вывод
Говорить, что сети 5G приобрели свой зрелый, финальный вид, еще рано. Нам предстоит дождаться 16го релиза, который по замыслу консорциума закроет 2ю фазу спецификаций и определит начало массового внедрения опорных сетей 5го поколения. Однако это не мешает уже сегодня начинать работы по изучению новой технологии, что заложит фундамент для будущих проектов, ведь сети радиодоступа 5G-NR в общем доступе уже имеются, хоть и в ограниченном виде. Надо понимать, сети 5G рано или поздно станут нашей повседневностью и переход от NSA режима в SA будет гладким и незаметным, а наработки, сделанные сегодня, не пропадут зря.