к каким технологиям относятся 5 джи
5G. Реальность и перспективы
Содержание
Содержание
2G, 3G, 4G, 5G — что это значит и в чем разница?
Так обозначаются различные поколения мобильной связи. Цифра — номер поколения, а буква G — Generation (поколение). Объединяет их одно — это цифровые сети (в отличие от аналогового первого поколения, которое передавало только аудиоинформацию). Основное отличие между поколениями — скорость.
Поколение
Стандарт
Максимальная скорость
Однако скорость не может расти сама по себе. Для того, чтобы радиоволна передавала больше информации за одну единицу времени, её частота должна быть выше и/или ширина канала должна быть больше. Используемые мобильными сетями частоты росли с каждым поколением, но 5G в этом смысле совершил прорыв — его частоты как минимум вдвое выше, чем у 4G.
Поколение
Частота
Ширина диапазона
3,4 – 3,8 ГГц / 24,65 – 29,5 ГГц
Здесь кроется одна из причин предвзятого отношения к новым стандартам: чем больше частота радиосигнала, тем эффективнее её энергия поглощается препятствиями, находящимися на пути радиоволны. И речь идет не только о стенах. Человеческое тело так же хорошо поглощает высокочастотные радиоволны.
Единственным доказанным воздействием ВЧ-излучений на человека является повышение температуры тела, причем оно возникает лишь при мощностях излучения, на порядки превышающих те, что используются в мобильных сетях. Пока ни статистика, ни исследования здравоохранительных организаций не подтверждают вредность высокочастотных излучений. И 5G продолжает распространяться — слишком велики его преимущества, чтобы отказываться от них из-за недоказанного вреда и страхов обывателей.
Скорость 5G
5G использует широкий спектр частот — от 40 до 100 МГц в диапазоне 3,4 – 3,8 ГГц. Это обеспечивает скорость передачи данных до 25 Гбит/с. Пятое поколение отличается минимальными задержками передачи сигнала — около 1 – 5 мс. Значение внушительное, даже чересчур — не всякое оптоволоконное подключение поддерживает такую скорость.
Возникает вполне закономерный вопрос: а нужна ли настолько высокая скорость в мобильной сети? Ведь даже для онлайн-просмотра видео в формате 8К потребуется в разы меньше. Но высокая скорость нужна! 20 Гбит/с — это теоретически достижимая максимальная скорость между сотой и единичным пользователем.
С каждым новым клиентом скорость сети будет снижаться, и в условиях плотной городской среды составит «всего лишь» 50, максимум 100 Мбит/с. Но и в этом случае 5G становится серьезным конкурентом для проводных и оптоволоконных провайдеров.
Интернет вещей
5G не только предоставит мобильный широкополосный доступ, который станет более быстрым, стабильным и качественным, но и обеспечит поддержку массового интернета вещей (IoT). Ожидается, что благодаря 5G к 2025 году количество устройств вырастет с 7 млрд (на 2018 год) до 22 млрд.
Увеличившаяся пропускная способность позволит удаленно управлять большим количеством устройств в тех сферах, где критически важна производительность сети в реальном времени, например, дистанционное управление различной техникой. Со временем станет возможным провести медицинскую операцию при участии врача, который находится в одной стране, а пациент и автоматизированная медицинская система — в другой.
Стационарный «интернет вещей» можно организовать с помощью Wi-Fi, но мобильным устройствам он не подходит. В их числе дроны, очки виртуальной реальности, а также «подключенные» автомобили, дополненные технологиями для обмена информацией с инфраструктурой и другими участниками движения.
Они требуют широкополосного подключения на площадях, заметно превышающих область распространения Wi-Fi пусть даже от сети роутеров. Новый стандарт обеспечит поддержку до 1 миллиона клиентов на квадратный километр. Для сравнения, 4G на той же площади поддерживает лишь до 100 000 устройств.
Основными отличиями 5G является сверхнадежная связь с малой задержкой, значительно более высокая скорость передачи данных и поддержка массовых машинных коммуникаций, при которых большое количество устройств способно обмениваться данными без какого-либо участия человека.
На сегодняшний день устройства IoT в основном подключают при помощи кабелей. Между тем, 5G позволит установить гораздо больше датчиков: станет возможным использовать беспроводное подключение без потери качества соединения. Технология предполагает высокую плотность датчиков. Их могут быть миллионы, что существенно повысит точность полученных ими данных.
Кроме того, 5G позволит использовать облачную сеть радиодоступа, благодаря чему сети обеспечат передачу данных от одного узла сети к другому с помощью меток. Это расширит возможности для таких технологий, как автономные автомобили или дроны, которые находятся вне поля зрения оператора. Подобного рода техника в процессе передвижения собирает огромное количество данных, которые следует быстро обрабатывать, чтобы избежать аварийных ситуаций.
В «умных» городах светофоры будут регулировать движение, получая от автомобилей данные о плотности транспортных потоков. Это уменьшит количество пробок и повысит безопасность на городских дорогах, а заодно снизит уровень загрязнения окружающей среды.
Возможные сценарии использования 5G включают автономное управление транспортным средством на любой дороге и в любых условиях. Автономные автомобили, включая и летающие модели, будут самостоятельно передвигаться от одного водителя к другому, а также сами смогут подключиться к беспроводной зарядной станции для восполнения заряда аккумулятора.
В результате одним транспортным средством смогут пользоваться несколько человек. Автомобиль можно сдать в аренду другим пользователям, пока владелец авто находится на работе. В результате стоимость владения автомобилем станет существенно ниже. Изменится не только городская мобильность, но и отношение к приобретению транспорта в собственность, да и к собственности в целом. Это будет не всегда удобно и выгодно.
Развитие транспорта, всеобщая доступность медицины, образования и других сфер, необходимых для комфортной жизни, могут привести к оттоку населения из городов в пригороды и небольшие комфортные поселения, что окажет влияние на дальнейшее развитие цивилизации.
Возможности, которые открывает 5G, могут стать основой новой экономики и технологической революции. С сетями нового поколения станет возможна автоматизация на всех уровнях — от «умного» дома и города до страны и планеты в целом.
Массовое распространение сетей нового поколения станет основой нового технологического уклада, который проявится в широком применении искусственного интеллекта, беспилотного транспорта, развитии робототехники, всеобщей цифровизации и автоматизации.
Разумеется, триумф технической революции случится не в один миг, а постепенно. Технология 5G обеспечит лишь нужный задел. Остальное продолжат 6G и последующие поколения мобильной связи.
Особенности 5G
Низкая проникающая способность высокочастотных радиоволн неизбежно приведет к сокращению радиуса охвата отдельной соты. Для покрытия одной и той же площади 5G потребуется куда больше сот, чем 4G. С одной стороны, это увеличит стоимость внедрения технологии. С другой стороны, из-за массовости изготовления и меньшей мощности 5G-ретрансляторы со временем будут стоить заметно дешевле, чем их предшественники.
Операторы сотовой связи при внедрении 5G планируют отказаться от привычной практики установки вышек. Новые ретрансляторы будут устанавливать в соответствии с застройкой местности: на площадях, в торговых центрах, на стенах зданий. Причем многие из них будут направленными. Это приведет к снижению необходимой мощности передатчика смартфона — батарейка будет «тянуть» дольше, а сам телефон станет тоньше и легче.
Цена перехода
Переход на новый стандарт потребует от операторов значительных вложений, поэтому (как минимум, первое время) цены на подключение 5G не будут ниже, чем на 4G. А еще стандарт не совместим с предыдущим, поэтому потребуется покупать новые смартфоны, планшеты и модемы для ПК. Зато 5G позволит отказаться от «проводного» интернета без потери качества связи.
Пора выкидывать роутер?
Сети 5G в тестовом режиме запускаются во многих странах, и Россия — не исключение. Первые испытания 5G были проведены в 2016-2017 годах. Компания «Мегафон» совместно с Nokia и Huawei тестировала оборудование для организации мобильных сетей 5G. При этом была достигнута скорость около 5 Гбит/с.
На чемпионате мира по футболу, который проходил в России в 2018 году, компании «МТС» и Ericsson развернули связь 5G для обеспечения доступа к высокоскоростному интернету. Базовые станции были установлены в крупных городах: Москве, Санкт-Петербурге, Ростове-на-Дону, Казани, Самаре, Екатеринбурге и Нижнем Новгороде.
В настоящее время в Санкт-Петербурге и Москве сети пятого поколения разворачивают четыре оператора сотовой связи. 5G пришел в Казань, Набережные челны, Екатеринбург, Томск и Абакан. Но зона покрытия весьма невелика даже в столицах. О коммерческом запуске речи пока не идет: операторы планируют его не раньше 2022 года.
Основной загвоздкой являются частоты: диапазон 3,4 – 3,8 ГГц, используемый для 5G в большинстве стран мира, в России занят силовыми структурами, которые вовсе не собираются отдавать частоты сотовым операторам. Поэтому оборудование для России придется либо заказывать специально, либо производить самим. В любом случае это будет дольше и дороже, чем покупать стандартное.
Пока под пилотные сети 5G в России выделяют частоты под стандарт mmWave: в диапазоне 24,65 – 29,5 ГГц. Такая частота обеспечивает высочайшую скорость передачи данных, но дальность действия соты не превышает сотен метров. И тут возникают те же проблемы, что и у Wi-Fi: плохое покрытие в сложном рельефе и необходимость в огромном количестве ретрансляторов. Это очень дорогое решение, и вряд ли в ближайшее время оно выйдет за пределы ограниченных пилотных зон.
Так что не торопитесь выкидывать роутер и покупать iPhone 12. В ближайшие несколько лет 5G в России точно не станет доминирующей технологией. А жаль.
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