Связь g. Зачем нужны такие скорости
Продолжаем обсуждать вместе с вами, что происходит в области 5G в российских реалиях, начали мы это делать в нескольких статьях, которые вышли чуть ранее.
В сентябре случилась примечательная история, в МТС провели демонстрацию оборудования для 5G, партнером выступила компания Nokia. В пресс-релизе компания заявила о достижении рекорда по загрузке данных в 4.5 Гбит/с при полосе 200 МГц. Это исключительно лабораторные испытания, причем для демонстрации этой скорости показывался ролик в разрешении 8К (7680х4320 точек), который сняли специально для этого случая. Чтобы понимать масштаб скоростей, скажу, что за пару секунд вы можете загрузить 1 ГБ данных. Другое дело, что ни одно устройство в данный момент просто не поддерживает такие скорости, все упирается в скорость работы памяти, которая имеет свои ограничения. Но так как технология на перспективу, то можно ожидать, что технические моменты выправятся.
Опыт ставили на обычном оборудовании от Nokia – AirFame и AirScale: сигнал передавался в диапазоне 4,65–4,85 ГГц по двум агрегированным радиоканалам шириной 100 МГц между приемо-передающими устройствами, имитирующими работу базовой станции и мобильного терминала. Необычным являлось то, что для работы на такой скорости нужно восемь антенн на каждом устройстве (MIMO 8x8). В большинстве современных LTE-устройств используется MIMO 2x2. Ни одного устройства с такой конфигурацией антенн на рынке нет и пока не предвидится, все упирается в отсутствие рабочих сетей.
Для Nokia подобные демонстрации давно стали рутиной, компания показывает подобные конфигурации вместе с операторами по всему миру, ничего необычного в этом нет. В России диапазон около 4.5-5 ГГц не является распределенным между операторами, эти частоты пока ими не используются. Поэтому вопрос распределения частот встанет остро, также как и их последующая агрегация.
Но история с демонстрацией МТС «рекордных» скоростей интересна в другом аспекте. Проходит меньше недели, и в Нижнем Новгороде уже МегаФон вместе с Nokia на международном бизнес-саммите показывает скорость 4.94 Гбит/с. То же самое оборудование, те же частоты и большая скорость. Мне это чем-то напоминает анекдот, в котором говорят: «А сейчас мы медленно спустимся с горы…». Современные технологии позволяют выигрывать любые PR-состязания, и тот, кто скажет что-то первым, гарантированно проиграет, так как в тестовых, по сути, лабораторных условиях можно добиться практически любой скорости. Почему это важно для некоторых операторов? Ответ следует искать в сложившейся конфигурации рынка.
По количеству распределенных частот лидером в России является МегаФон, что дает оператору возможность комфортно развивать существующие LTE-сети, а также обеспечивает задел на будущее. Для МТС, Билайн, Теле2 наступает необходимость объединять свой частотный ресурс, чтобы приблизиться к возможностям МегаФона, причем тут необходимо отметить другой важный момент. Экономический эффект от такого объединения частот вовсе не положительный, как это может показаться, стоимость совместной эксплуатации примерно сравнима с содержанием своей сети. А ограничения понятны, ни один из партнеров не может планировать свой рост без оглядки на другого, и тут вероятны различные коллизии.
С появлением тестовых зон в диапазоне 4.5-5 ГГц можно ожидать вялой борьбы за него со стороны операторов, но трагедий тут не будет. Почему? Ответ следует искать в том, что без наличия опорной LTE-сети развитие 5G невозможно. В любом случае, тот самый LTE Advanced останется рабочей лошадкой в ближайшем будущем, а такие сети, кроме МегаФона, никто массово в стране не разворачивает, другие операторы только должны будут пройти по этому пути.
И вот тут мы натыкаемся на очень интересную штуку, ведь каждый оператор – это прежде всего бизнес, который приносит деньги своим акционерам. Нет ни одного оператора в мире, что строит свои сети исключительно ради технологий и утверждает, что работает из чистого альтруизма. Поэтому стратегия развития каждого оператора может отличаться, и компании могут не повторять ходы друг друга, а развиваться независимо, усиливая те или иные свои стороны.
Основными игроками в России в долгосрочной перспективе остаются МТС и МегаФон, по абонентской базе эти операторы №1 и №2 соответственно, отрыв Билайна от них увеличивается, а Теле2 пока еще не вырос до уровня Билайна, хотя быстро нагоняет. Но если МегаФон делает упор на техническую составляющую услуг, качество развития новых технологий, то в МТС ставка сделана на средний, удовлетворительный уровень сетей, они не стремятся стать пионерами во всех технологиях, скорее адаптируют те решения, что прошли обкатку у множества операторов. Это вовсе не значит, что МТС не инвестирует деньги в новые технологии, они это делают. Но в меньших объемах, и для них эти технологии не так уж важны, так как оператор, равно как и АФК «Система», сделали ставку на контент. То есть, средством для роста доходов оператора должен стать контент, который распространяется как через мобильные подключения, так и через домовый интернет. Эта стратегия отличается от того, что делает МегаФон, хотя и у последнего есть контент-проекты и интерес в этой сфере. Но это вопрос распределения инвестиций, в МегаФоне они идут на строительство сетей, в МТС стараются вложить деньги в дополнительные направления, чтобы заработать на них. С точки зрения менеджмента это правильный подход. Почему это важно знать нам с вами?
Ответ очевиден – зная стратегию каждой компании, мы можем понимать и оценивать, что с ними будет происходить. Каждый оператор старается нивелировать в глазах потребителя свои слабые стороны. Для МТС такой уязвимой точкой становится строительство новых сетей, адаптация новых технологий. Причем началось это не сегодня и даже не вчера. Хорошая сеть европейского качества, которая заметно уступает тому, что предлагает МегаФон в области мобильного интернета. Но для многих абонентов этого достаточно за глаза, им не нужно лучшее качество или они о нем просто не знают, что также вероятно. Исходя из этого происходит компенсация, когда будет возникать множество надуманных поводов из области PR с демонстрацией высоких скоростей передачи данных, новых технологий и тому подобного. Но проблема МТС только в одном, эти демонстрации затем не превращаются в реальные, работающие сети. Во всяком случае, сегодня это выглядит так, развитие LTE Advanced сетей и реальные скорости на них говорят именно об этом. Даже стратегически ставка МТС сделана так, что LTE Advanced на их частотах позволяет получить только cat.4, в то время как у МегаФона это стабильно cat.6, то есть выше скорость передачи данных.
Поэтому мы наверняка еще не один раз будем наблюдать сходные ситуации, когда МТС будет заявлять какие-то рекорды, потом с горы будет спускаться МегаФон и показывать новые рекорды. Лабораторные. В этой истории позиция Nokia очень проста и понятна, они выбирают партнера, который будет первым покупать оборудование, и в больших количествах, и как следует из моего рассказа, это явно будет не МТС, так как их стратегия строится совсем на ином подходе к рынку.
Кто-то может сказать, что потребителю это все неинтересно, но это не совсем так. Обсуждение рекордных скоростей часто накладывается в головах людей на существующие сети, возможности операторов. Это как фанаты, которые болеют за свой любимый спортивный клуб, они выискивают подтверждение правильности своего выбора и приводят массу аргументов. Большая часть из которых к реальности никак не относится. Тут ровно та же история.
Появление первых участков и зон 5G случится к Чемпионату мира по футболу, который пройдет в 2018 году. Уже сейчас можно сказать, что двумя компаниями, которые покажут участки 5G, станут МегаФон и МТС. У кого будет больше покрытие 5G? На этот вопрос также можно ответить. Уверен, что вы, прочитав текст, знаете правильный ответ. Будущие победы и проигрыши уже заложены в конфигурации рынка, который существует сегодня. Просто необходимо понимать, по какому пути идет каждый из российских операторов, на кого и на что они ориентируются. Мне как человеку, который хочет получать самые технологичные игрушки, конечно же, ближе подход МегаФона, который делает упор на технологическое превосходство над всеми. Кому-то это не нужно, и выбор останавливается на других операторах. Классно, что сама возможность выбора дана нам рынком. Было бы грустно, если у нас была бы ситуация, как на Украине, где 3G появился совсем недавно, а люди серьезно обсуждают, что мобильный интернет не очень нужен, так как Wi-Fi лучше. Да и появление 4G-сетей там придется на время, когда у нас будет 5G. Пусть наши операторы конкурируют, развивая свои сильные стороны, это даст нам богатство выбора, и именно это в рынке является самым ценным.
До недавнего времени в мире существовало четыре поколения мобильной связи . В настоящее время операторы при поддержке поставщиков оборудования (вендоров) активно тестируют возможности сетей пятого поколения, коммерческий расцвет которого ожидается к 2020 году. Объяснить это достаточно просто: существует, так называемое, правило десяти лет. Если заглянуть немного в прошлое, можно заметить, что каждое новое поколение мобильной связи появлялось примерно через 10 лет после появления предыдущего: первое поколение появилось в начале 80- годов, второе в начале 90-х, третье в начале 00-х, четвертое в 2009 году. Напрашивается вывод, что коммерческие сети 5G начнут заполнять мир именно в 2020 году.
Стандарт мобильной связи пятого поколения (5G) – это новый этап развития технологий, который призван расширить возможности доступа в Интернет через сети радиодоступа.
Стандартизацию сетей мобильной связи 2, 3, 4 и 5 поколений выполняет партнерский проект для стандартизации систем 3-го поколения (3rd Generation Partnership Project, 3GPP).
В 2017 году организация 3GPP официально сообщила, что 5G станет официальным названием следующего поколения мобильной связи и представила новый официальный логотип стандарта связи.
Задачи, которые призвана решить технология 5G:
- рост мобильного трафика
- увеличение числа устройств, подключаемых к сети
- сокращение задержек для реализации новых услуг
- нехватка частотного спектра
Услуги в сетях 5G
- Сверхширокополосная мобильная связь (Extreme Mobile Broadband, eMBB) - реализация ультраширокополосной связи с целью передачи «тяжелого» контента;
- Массовая межмашинная связь (Massive Machine-Type Communications, mMTC) - поддержка Интернета вещей (ультраузкополосная связь);
- Сверхнадежная межмашинная связь с низкими задержками (Ultra-Reliable Low Latency communication, URLLC) - обеспечение особого класса услуг с очень низкими задержками.
Подробнее услуги в сетях 5G рассмотрены по ссылке .
Очевидно, что в будущем к сети будет подключено гораздо больше устройств, большинство из которых будут работать по принципу «всегда онлайн». При этом очень важным параметром будет являться их низкое энергопотребление.
Требования к сетям 5G
- Пропускная способность сети до 20 Гбит/сек по линии "вниз" (т.е. к абоненту); и до 10 Гбит/с в обратном направлении.
- Поддержка одновременного подключения до 1 млн. устройств/км 2.
- Сокращение временной задержки на радиоинтерфейсе до 0,5 мс (для сервисов Сверхнадежной межмашинной связи URLLC) и до 4 мс (для сервисов Сверхширокополосной мобильной связи eMBB).
Другие технические требования к сетям 5G рассмотрены в этой статье .
Потенциальные технологии в стандарте 5G
1) Массивные MIMO
Технология MIMO означает использование нескольких антенн на приемопередатчиках. Технология, успешно применяемая в сетях четвертого поколения, найдет применение и в сетях 5G. При этом если в настоящее время в сетях используется MIMO 2x2 и 4x4, то в будущем число антенн увеличится. Эта технология имеет сразу два весомых аргумента для применения: 1) скорость передачи данных возрастает почти пропорционально количеству антенн, 2) качество сигнала улучшается при приеме сигнала сразу несколькими антеннами за счет разнесенного приема (Receive Diversity ).
2) Переход в сантиметровый и миллиметровый диапазоны
На данный момент сети LTE работают в частотных диапазонах ниже 3,5 ГГц. Для полноценного функционирования сетей мобильной связи стандарта 5G необходимо разворачивать сети в более свободных высокочастотных диапазонах. При повышении частоты, на которой передается информация, уменьшается дальность связи. Это закон физики, обойти его можно лишь повышая мощность передатчика, которая ограниченная санитарными нормами. Однако считается, что базовые станции сетей пятого поколения будут располагаться плотнее, чем сейчас, что вызвано необходимостью создать гораздо бОльшую емкость сети. Преимуществом диапазонов десятков ГГц является наличие большого количества свободного спектра.
Подробнее вопросы выделения частотного спектра в 5G рассмотрены в следующих статьях:
- Частоты для 5G. Преимущества и недостатки использования частот ниже 6ГГц и выше 6ГГц
- Сети 5G: текущее состояние и перспективы развития. Интервью с автором книги «Мобильная связь на пути к 6G» Антоном Степутиным
3) Мультитехнологичность
Для обеспечения высококачественного обслуживания в сетях 5G необходима поддержка как уже существующих стандартов, таких как UMTS , GSM , LTE , так и других, например, Wi-Fi. Базовые станции, работающие по технологии Wi-Fi могут использоваться для разгрузки трафика в особо загруженных местах.
Технология device-to-device позволяет устройствам, находящимся неподалеку друг от друга, обмениваться данными напрямую, без участия сети 5G, через ядро которой будет проходить лишь сигнальный трафик. Преимуществом такой технологии является возможность переноса передачи данных в нелицензируемую часть спектра, что позволит дополнительно разгружать сеть.
5) Новый радиоинтерфейс в сетях 5G и другие инновации читайте в статье Какими будут сети мобильной связи 5G?
Подробнее о технических требованиях к сетям 5G, вариантах радиоинтерфейсов, услугах и других нововведениях в сетях мобильной связи нового поколения читайте в книге " Мобильная связь на пути к 6G ".
На заре быстрого и стремительного развития сферы телекоммуникаций уже сложно представить жизнь без мобильных систем. Не так давно в 2012 году на конференции в Женеве были представлены технологии LTE Advanced (LTE-A) и WiMAX 2 (WMAN-Advanced, IEEE 802.16m), которые были признаны технологиями четвертого поколения или как уже привыкли их называть - технологии четвертого поколения 4G. Было заявлено, что данные технологии позволяют осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с — подвижным абонентам и 1 Гбит/с — стационарным. И не успели операторы перевести дух, как уже в 2015 году появляются сообщения о разработке сетей следующего поколения 5G. Так что же такое 5G и настолько ли нам необходимы эти технологии?
На данный момент нет четкого стандарта для сетей пятого поколения, однако, телекоммуникационные компании, среди которых такие как: Huawei, Ericsson, Nokia, уже сейчас предлагают концепцию будущих 5G сетей. Предполагается, что 5G станет последним и обобщенным стандартом для беспроводных технологий.
Возвращаясь к разговору о сетях четвёртого поколения (4G) стоит сказать, что их ключевой особенностью для привлечения абонентов стала высокая скорость. Но, как показала практика, скорость не является ключевым фактором. Не стоит также забывать о таких параметрах как ёмкость сети, задержки при передаче пакетов и прочих факторов. И так как в сетях 5G планируется работа колоссального количества устройств, начиная от кофемашин, холодильников и заканчивая автомобилями, то необходимо серьезное улучшение основных параметров беспроводных сетей, а именно увеличение скорости передачи данных к множеству абонентов, увеличение ёмкости сетей и уменьшение задержек.
Добиться этого планируется следующим образом:
- Увеличение пропускной способности сети более 10 Гбит/сек.;
- Количество одновременных подключений до 100 миллионов устройств на 1 квадратный километр;
- Обеспечение уменьшения задержки в сети до 1 мс;
- Выделение каждому сервису определённой ёмкости ресурса.
Виртуализация в 5G-сетях
Одной из основных технологий в сетях пятого поколения станет "Интернет вещей". Интернет вещей - это не просто множество различных приборов и датчиков, объединенных между собой проводными и беспроводными каналами связи и подключенных к сети Интернет, это более тесная интеграция реального и виртуального миров, в которых общение производится между людьми и устройствами. Для реализации этого будут применяться такие технологии как беспроводные сенсорные сети и RFID (метод автоматической идентификации объектов). Таким образом, внедрение "Интернет вещей" в сети пятого поколения 5G позволит не только взаимодействовать в единой сети кругу бытовых гаджетов и устройств (смарт-часы, устройства VR, планшеты и смартфоны), но и позволит охватить все сферы деятельности человека (технология умный дом и умный город).
Рисунок 1 - Охват технологии 5G в жизни человека
Стоит также отметить, что технология 5G планирует стать по-настоящему конвергентной технологией. Конвергенция подразумевает под собой группировку отдельных компонентов сети, в единый оптимизированный вычислительный комплекс. Организация этого комплекса планируется с помощью виртуализации оборудования. То есть операторы за счёт набора серверов и DATA-центров будут организовывать виртуальное оборудование для обработки и хранения данных, в то время как физическое оборудование будет использоваться лишь для передачи пользовательского трафика. Таким образом будет уменьшение количества оборудования для одной базовой станции, а если учесть что всё это будет являться неким облаком, то оператор будет иметь доступ в любую точку сети для динамической настройки того или иного сегмента сети.
В основу всего этого будет положена технология SDN - сеть передачи данных, в которой уровень управления сетью отделен от устройств передачи данных и реализуется программно, и NVF - это концепция сетевой архитектуры, предлагающая использовать технологии виртуализации целых классов функций сетевых узлов в виде составных элементов, которые могут быть соединены вместе или связаны в цепочку для создания телекоммуникационных услуг (сервисов).
Рисунок 2 - Виртуализация сетей 5G
За счет виртуализации сети появляется возможность организации такой функции как "сети по запросу".
Рисунок 3 - Сети по запросу в 5G
Как известно, под организацию конкретной задачи сети (сеть смартфонов, умный дом и т.д.) существуют уже готовые решения с набором параметров и конкретным оборудованием. Сети 5G за счет виртуализации и технологии сети "по запросу" предлагают заранее организовать серверы и DATA-центры для операторов с учетом всех требований для сети. Этакое коробочное решение для оператора.
Архитектура сетей пятого поколения
Проблему с покрытием и доступностью к сети было решено изменить путем ориентирования на абонентов, то есть радиопокрытие сети будет подстраиваться под нужды абонентов в отличие от сетей прошлого поколения. Планируется применение автоматических фазированных антенных решёток, способных динамически изменять диаграммы направленности антенных систем. Также планируется использование всего доступного частотного диапазона, в частности использование миллиметрового диапазона на коротких расстояниях.
Что касаемо вопроса о сетевой архитектуре 5G, то тут стоит выделить три подсистемы (облака), да - облачные технологии, куда без них в современном мире:
- Облако доступа (Access) - подразумевается включение как распределенных, так и централизованных технологий и систем доступа. Также планируется обратная совместимость с сетями 4G и 3G;
- Облако управления (Control) - управление сессиями, мобильностью и качеством услуг;
- Транспортное облако (Forward) - физическая передача данных в сеть с высокой надежностью, скоростью и балансировкой нагрузки.
Рисунок 4 - Архитектура сети 5G.
Радиоинтерфейс
Что касается радиоинтерфейса 5G, то планируется увеличение спектральной эффективности в 3 раза по сравнению с сетями четвертого поколения (4G). Это способствует тому, что при одной и той же ширине полосы пропускания передается до 3 раз больше данных, то есть около 6 бит/сек на 1 Гц. Новый радиоинтерфейс планируется быть гибким, легко конфигурируемым и обратно совместимым с сетями 4G и 3G.
Рисунок 5 - Концепция нового радиоинтерфейса
Компанией Huawei было предложено следующее решение для нового интерфейса:
Рисунок 6 - Базовые технологии для радиоинтерфейса в 5G по мнению компании Huawei
Как видно из рисунка, предполагается применение следующих технологий:
- SCMA (Sparse Code Multiple Access) - разделение абонентов на базе разреженного кода, при этом нет необходимости в подтверждении о доставке. В этой технологии битовые потоки разных пользователей в одном частотном ресурсе, напрямую преобразуются в кодовое слово при помощи так называемой кодовой книги из определённого набора. Эти коды условно называются квазиортогональными и количество этих кодов довольно большое, и имеет двухмерную структуру. То есть исходный сигнал накладывается на кодовую книгу и уже преобразованный сигнал попадает на радиоинтерфейс. Восстановление сигнала на приемной стороне также производится по кодовой книге.
Рисунок 7 - Алгоритм технологии SCMA
- F-OFDM (Flexibel OFDM) - усовершенствованная технология OFDM позволяющая организовать гибкое разбиение на поднесущие, гибкое изменение длины символов и гибкое изменение циклического префикса. То есть под каждую задачу будет использоваться свой набор параметров.
Рисунок 8 - Сравнение технологии OFDM и F-OFDM
- Polar Code - линейный корректирующий код, основанный на явлении поляризации канала.
- На иллюстрации ниже представлены также дополнительные, но, несомненно, важные технологии для сетей 5G.
Дополнительные технологии в сетях 5G
- Massive MIMO - передача к одному абоненту до 8 потоков данных. В Massive MIMO абонент может работать с большим количеством антенн одновременно, которые будут формировать очень острые диаграммы направленности. Использование пространственного мультиплексирования нескольких лучей позволит увеличить принимаемый уровень сигнала и подавить интерференцию от других пользователей, тем самым увеличить пропускную способность и спектральную эффективность;
Рисунок 9 - Massive MIMO
- Novel Multiple Access - новые технологии доступа, например, SCMA;
- New Full Duplex - позволяет применять одну частоту в разных сотах для разных задач (UpLink и DownLink);
Рисунок 10 - Принцип работы New Full Duplex
- Flexibel Duplex - позволяет организовать гибкую передачу трафика. То есть, например, в UPLink передавать информацию для DownLink;
Рисунок 11 - Принцип работы Flexibel Duplex
- FBMC/UFMC (Filter Bank Multicarrier, Universal Filter Multi-Carrier) - увеличивает спектральную эффективность, улучшает канальную селективность, позволяет использование в "когнитивном радио";
- Adv. Coding and Modulation - применение совокупности технологий модуляций и кодирования, среди которых такие как Non-binary coding, Bit-mapping techniques, Joint coding & modulation;
- Ultra-dense networking - позволяет за счет виртуализации организовать сверхплотные сети, за счёт которых на n-ой площади можно будет обслуживать большое количество абонентов, что в свою очередь позволяет строить сложные иерархии сети. Также данная технология позволяет одновременное взаимодействие сот между собой;
Рисунок 12 - Технология Ultra-dense
- Low latency & high reliability - снижение задержки и повышение надежности;
- M2M/D2D - передача информации напрямую между устройствами (машинами, девайсами) без участия человека. Расширение покрытия за счет устройств абонентов Построение децентрализованной сети;
- High frequency communication - частоты ниже 6 ГГц будут первичными диапазонами для сети 5G. Частоты выше 6ГГц для универсального доступа и магистральной связи. Как видно из рисунка ниже, планируется задействовать частотный диапазон вплоть до 100 ГГц;
Рисунок 13 - Частотный план 5G
- Spectrum sharing - совместное использование спектра на разных уровнях разными технологиями доступа.
Управление сетями в 5G будет осуществляться за счет разрабатываемой TelecommunicationOS. То есть различные отрасли и категории пользователей будут использовать одну операционную платформу для доступа к инфраструктуре сети.
Рисунок 14 - Управление сетями 5G
Экспериментальные данные при тестировании технологии 5G
Те, кто следят за новостями развития беспроводных технологий, наверняка уже слышали о том, что не так давно, в июне 2016 года, МегаФон продемонстрировал передачу данных в 1 Гбит/сек на Петербургском международном экономическом форуме. Преодоление порога в гигабит было долгожданным событием еще со времен выхода стандарта для 4G сетей. Но что же творится на мировом рынке?
Меньше месяца назад, на испытании оборудования 5G сетей в Швеции оператор связи Telia совместно с компанией Ericsson продемонстрировали передачу данных на скорости в 15 Гбит/сек на одного пользователя. Время отклика составляло менее 3 мс. Эти показатели более чем в сорок раз выше показателей функционирующей 4G сети. К слову сказать, для сетей пятого поколения разработанной дорожной картой предусмотрены пиковые скорости передачи данных в 20 Гбит/сек. По заявлению руководства оператора Telia, запуск коммерческих 5G сетей планируется уже в 2018 году в Стокгольме и столице Эстонии — Таллине.
Но неизменным лидером на рынке беспроводного оборудования по-прежнему остается компания Huawei. Почти все значимые рекорды в скорости мобильного интернета принадлежат ей и уже несколько лет подряд специалисты Huawei не отдают никому пальму первенства. В июле этого (2016) года на официальном сайте компании появилась информация о том, что совместно с Vodafone им удалось разогнать скорость в сети до 20 Гбит/сек в E-диапазоне. И что самое удивительное, компания Huawei объявила, что к 2018 году в России будет завершено строительство 5G сетей. Естественно сеть будет обслуживать города, в которых пройдет чемпионат мира по футболу. Скорее всего, демонстрация гигабитных скоростей в июне этого года компанией МегаФон является первым шагом на пути к реализации этого проекта.
Несмотря на то, что скорость в 20 Гбит/сек определена Международным союзом электросвязи в качестве базовой, Huawei собирается создать гораздо более скоростные сети, так как на форумах презентуются прототипы базовых станций и приемников, позволяющих поддерживать передачу данных на скорости 115 Гбит/с.
Также гигабитные скорости не являются исключением и для движущихся абонентов, ведь пару месяцев назад Huawei передал 10 Гбит/сек абоненту, движущемуся со скоростью 120 км/ч. Естественно главный успех эксперимента зависит от точности сопровождения абонента диаграммой направленности базовой станции, поддерживающей MIMO и Beamforming.
Заключение
Сейчас довольно сложно говорить о возможностях и сроках реализации коммерческих сетей 5G, при условии, что пока даже не введен стандарт, но производители взялись за сети нового поколения очень резко, и их разработки даже опережают выход стандарта. Если компаниям, участвующим в проекте, удастся добиться поставленных целей, то весь мир сможет получить единую, стабильную, конвергентную и высокодоступную сеть нового поколения, после введения которой уже долгое время не придется создавать и разрабатывать сети нового поколения. Во всяком случае представители Международного союза электросвязи заявляют свои надежды на то, что 5G станет точкой в развитии беспроводных сетей, существенной переделки архитектуры не будет, и нас ждет лишь минорная доработка радиочасти.
5G ближе, чем кажется. Публичные тесты новой технологии проведут в России уже во время Чемпионата мира по футболу 2018 года, а к 2022 году Минкомсвязи планирует, что сетями пятого поколения будет покрыто 16 миллионников. К 2020 году развертывать сети 5G начнут в США, Японии и Корее. Между тем, до сих пор не закончена работа над стандартом сотовых сетей пятого поколения. Так что же представляет собой 5G, когда его реально ждать, и зачем нужен новый стандарт?
Поколение раз в 10 лет
Мобильная связь развивается в среднем 10-летними циклами. Новые технологии появляются, внедряются и становятся доминирующими раз в десять лет. 2000-ые годы стали эрой 3G, сейчас вы живем в эпоху 4G. Следующее десятилетие станет временем 5G.
Первые проекты по разработке 5G были объявлены еще в 2008 году. После 2015 года компании, работающие над новой технологии, наконец смогли подойти к полевым испытаниям. В 2016-м начали приниматься первые регуляторные нормы, в соответствии с которыми будут функционировать сети будущего. Так Федеральная комиссия США по связи одобрила для стандарта три диапазона 28 ГГц, 37 ГГц и 39 ГГц.
Осенью 2016 года Qualcomm представила первый модем, который будет поддерживать будущие стандарты 5G - Snapdragon X50.
В 2017 году в различных странах начали устанавливать первые базовые станции пятого поколения, пока они доступны только для тестирования специалистов.
Характеристики 5G
Стандарт пятого поколения будет заметно отличаться от предыдущих. В течение предшествующих 30 лет каждый новый стандарт приносил в первую очередь количественные улучшения связи. 2,5G подарил нам мобильный интернет. 3G сделал его по-настоящему удобным и доступным. 4G сблизил скорости стационарного и беспроводного доступа. Сегодня 4G обеспечивает в самых продвинутых версиях скорость нисходящего потока на 1 Гбит/с.
5G также обещает рост скоростей. Черновые версии стандарта определяют минимальный предел пропускной способности в 10 Гбит/с. Однако тесты оборудования показывают, что реальные скорости будут выше. Многие тестовые сети обеспечивают передачу данных на скорости в 25 Гбит/с. В июне 2017 года Huawei и Мегафон смогли «разогнать» сеть до 35 Гбит/с, работая в диапазоне 70 ГГц.
Однако увеличение скорости передачи данных в рамках сети является далеко не главным при разработке стандарта 5G. Еще в XXI начале века во многих странах количество мобильных абонентов превысило число населения. В этом десятилетии у мобильных операторов уже появились миллионы клиентов без паспорта и личности. Речь идет о подключенных к интернету датчиках и устройствах. В ближайшее десятилетие количество пользователей сотовых сетей начнет исчисляться десятками миллиардов. К людям присоединятся машины. 5G должен обеспечить на порядки большее количество стабильных соединений в единицу времени.
Массивное MIMO является одним из приоритетов развития стандарта. Для обеспечения стабильности связи будет использоваться трехмерная фокусировка сигнала. Базовые станции получат сотни узконаправленных антенн, которые будут закрывать все возможные направления.
Большое количество подключений, огромные массивы передаваемых данных вынуждают использовать развитые технологии кэширования данных. Оно также станет одним из краеугольных камней 5G.
5G обещает не только повышение скоростей передачи данных, но и снижение латентности, что будет востребовано в интернете вещей, где для реализации многих идей требуется высокочастотный опрос устройств. Латентность планируется снизить со 100 мс у 4G до 1 мс у 5G.
В проектах 5G улучшение взаимопроникновения сетей. Для обеспечения наиболее эффективного соединения и лучшего использования пропускной способности мобильной инфраструктуры устройства будут переключаться не только между 4G и 5G, но и подключаться к Wi-Fi и другим видам беспроводных сетей, благо частотные диапазоны уже сближены максимально.
Виртуализация сетей. Пятое поколение предполагает более активную и полноценную виртуализацию в мобильных сетях. Сервис и инфраструктура будут максимально отвязаны друг от друга. За счет этого можно повысить и эффективность использования частотного диапазона, и самой инфраструктуры.
Вызовы 5G
Внедрение 5G может оказаться не таким быстрым, как 4G. В некоторых случаях в сетях 3,5G внедрение LTE требовало минимальных инвестиций. В случае с 5G так не получится.
Чем выше частота сети, тем выше скорость передачи данных. Однако есть и обратная зависимость: тем ниже зона покрытия, и волны хуже проникают через стены и другие препятствия. Размер соты будет значительно меньше.
Операторам придется не просто установить новое оборудование на уже существующие вышки, но и найти новые места для размещения базовых станций. Их плотность для уверенного покрытия должна быть выше. Соответственно потребуются большие затраты.
Решения этой проблемы пока нет. Более «дальнобойные» диапазоны уже заняты сетями третьего и четвертого поколений. Да и в целом в современном мире свободных частот становится все меньше.
Покрытие 5G, особенно на первых порах, будет неравномерным. Его точно обеспечат в городах, сначала в местах с наибольшей проходимостью и нагрузкой, например, у спортивных сооружений, в бизнес-районах, около торговых центров. Впоследствии возможны варианты совместного использования частот с 4G и т.д. 5G за пределами городов пока остается под вопросом. Впрочем, там, в большинстве случаев при меньшей плотности абонентов может хватать и возможностей LTE.
Для чего нужно 5G
Наиболее близкое и понятное рядовому пользователю применение 5G - тяжелый контент . Телевизоры 4K пока еще не стали мейнстримом, но уже практически все топовые смартфоны снимают видео в этом формате. 8K также постепенно выходит на рынок. А еще есть сферические камеры и трансляции для устройств виртуальной реальности. 5G способен открыть для такого контента сотовые сети. Не случайно первые крупные демонстрации возможностей сети запланированы на крупные спортивные мероприятия. В Корее сеть 5G развернут в Пхенчанге зимой 2018-го во время Олимпийских Игр. Соревнования будут показывать в 8K, а Intel даже обещает организовать виртуальный показ игр, когда можно будет надеть шлем и почувствовать себя на стадионе. В России Мегафон собирается показать возможности 5G во время Чемпионата мира по футболу 2018 года.
Искусственный интеллект также «будет рад» появлению 5G. Уже сегодня на телефонах есть десятки и сотни приложений, в которых используются нейронные сети для обработки изображений. Пока это развлекательный контент. Однако в перспективе ИИ вторгнется во многие сферы нашей жизни. Нейронные сети сейчас существуют в облаке. Обмен информацией с ними вырастет, что потребует большей пропускной способности сети.
Интернет вещей. Уже сейчас понятно, что интернет вещей в первую очередь будет не сообществом кофеварок и холодильников, а получит промышленное наполнение. Умными уже становятся сельское хозяйство, промышленность, транспорт, логистика, энергетика. Десятки и сотни миллиардов сенсоров будут собирать различные данные передавать их на серверы для обработки и принятия решений, а затем команды будут отправляться автоматическим контроллерам, управляющим различными процессами. Во многих случаях системы будут реализованы в локальных сетях, но также огромным будет потребность в передаче информации через мобильные соединения. 5G с его многопользовательскими достоинствами и большой пропускной способностью обеспечит инфраструктуру для интернета вещей.
Беспилотные автомобили. Беспилотные технологии в автотранспорте развиваются очень быстро. В следующем десятилетии на дорогах могут появиться первые полностью роботизированные машины. Однако сегодняшние тесты автопилотов показывают, что «машинное зрение» еще далеко от идеала. Tesla хорошо справляется с опережением, но не всегда может увидеть за пару километров несущуюся машину в левой полосе. В будущем автомобили могу быть объединены в единую сеть. Это значительно повысит безопасность на дорогах, а также шансы беспилотников на допуск к общему движению. 5G и здесь предоставит нужную инфраструктуру, а уменьшенная в разы латентность обеспечит необходимое на высоких скоростях быстродействия.
5G в России
Российские операторы уже начали тестирование сетей 5G. Мегафон работает с Huawei. Партнеры смогли достичь скорости в 35 Гбит/с, что является одним из самых высоких показателей в реальных тестах на данных момент.
Мегафон выиграл тендер на обеспечение связью Чемпионата мира по футболу 2018 года. Компания планирует развернуть тестовые сети 5G во время спортивного события. На стадионах обещают мобильный интернет со скоростью до 5 Гбит/с. Уже выделены частоты. Сегмент сети связи пятого поколения будет развернут в диапазоне 3400-3800 МГц, тогда как мобильный интернет поколения 5G будет работать в диапазоне 25250-29500 МГц.
МТС провел два теста 5G. Один еще в 2016 году с Nokia, добившись скорости в 4,5 Гбит/с. Другой весной этого года с Ericsson, получив скорость в 25 Гбит/с. Кстати, Ericsson объявила, что будет готова предоставить европейским операторам оборудование для 5G уже в 2018 году.
Билайн в январе этого года наконец выбрал себе партнера по 5G. Им стала китайская Huawei, которая является одним из лидеров по инвестициям в R&D для сетей пятого поколения.
Tele2 работает в направлении 5G с Nokia. И собирается развертывать сеть после 2020 года.
Формально 5G может появиться в России в 2020 году. Однако реально воспользоваться сетью пятого поколения можно будет лишь через два года.
В 2019 году в стране планируется принять акты, регулирующие функционирование сети. В 2020 году операторы получат частоты для развертывания сетей. В этом же году по планам правительства пилотные проекты должны быть запущены пяти городах миллионниках. К 2022 году сеть 5G должна функционировать уже в 15 городах с населением больше миллиона человек. В итоге реально работающие сети 5G, доступные пользователям, появятся в России к 2022 году.
Раньше других в 2019 году планируют развернуть первые сети пятого поколения в США и Корее. Как правило, эти страны идут в авангарде сотовых технологий. Считается, что к 2020 году будет завершена стандартизация 5G. После этого внедрять новый стандарт начнут массово.
По слухам, Apple планирует обеспечить поддержку 5G в iPhone 9. Учитывая традиции нейминга, речь, скорее всего, идет о модели 2019 года.
Сотовая совершенствуется рывками. Переход от одной технологии к другой свидетельствует о вводе нового поколения. Именно поэтому, если упрощать, стандарты называются 1G, 2G, 3G и так далее - буква «g» в данном случае происходит от слова «generation». Давайте же постараемся понять, как развивалась мобильная связь. Заодно мы выясним, почему операторы не отказываются от поддержки старых стандартов.
Сейчас самое первое поколение сотовой связи принято называть 1G . Но в годы действия этих сетей никто о таком понятии не подозревал, тогда многие люди не думали о том, что в ближайшем будущем сотовая связь станет совсем другой. Итак, что же представляло собой первое поколение?
Фактически это была аналоговая связь. Её запуск был осуществлён компанией AT&T , а первый звонок состоялся 3 апреля 1973 года - его совершил Мартин Купер, являвшийся главой мобильного подразделения Motorola . Как и в случае со стационарной аналоговой связью, теоретически сотовый телефон можно было задействовать в качестве модема. Но решиться на это мог только какой-нибудь миллионер, ведь минута разговора в те времена стоила огромных денег.
Как и в случае с последующими поколениями, 1G - это лишь название, объединяющее под собой несколько разных стандартов. В Канаде, США, Австралии, а также Южной и Центральной Америке применялся стандарт AMPS . В странах Скандинавии и некоторых государствах получил распространение стандарт NMT и его разновидности. Ну а в Италии, Испании, Англии, Австрии, Ирландии и Японии применялось сотовое оборудование стандарта TACS . И это только три самых популярных варианта реализации сетей! Все эти стандарты были совершенно несовместимы друг с другом. Поэтому британец, приехавший в Америку, не мог разговаривать по своему собственному телефону. Друг от друга разные стандарты отличались не только диапазоном частот, но и радиусом соты, мощностью передатчика, временем переключения на границе соты и соотношением сигнала к шуму. Подробнее со всеми спецификациями вы можете ознакомиться в прилагающейся табличке.
Обычным людям сотовая связь первого поколения стала доступной далеко не сразу. Первое десятилетие некоторые компании занимались только экспериментами. Коммерческая реализация произошла только в 1984 году. Достаточно быстро стало ясно, что аналоговая сотовая связь имеет ряд недостатков. Во-первых, каждая сота имела малую ёмкость - при подключении к ней большого количества абонентов начинались серьезные проблемы. Во-вторых, качество сигнала было далеко от идеала, особенно если абонент находился не на улице, а в здании. Первыми об этих проблемах задумались европейцы. Они начали разрабатывать цифровую связь.
Второе поколение сотовой связи
В 1982 году Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств начала разрабатывать стандарт GSM . Вскоре его начали называть 2G-связью. Изначально GSM предназначался для стран-членов Европейского института стандартов в телекоммуникации. Но позже разработкой заинтересовались Средний Восток, Африка, Азия и Восточная Европа. Коммерческий релиз сетей стандарта GSM состоялся в 1991 году. Цифровой метод передачи данных позволял абонентам обмениваться SMS-сообщениями. А чуть позже им стал доступен выход в Интернет через протокол WAP .
Этот стандарт покорил не всех. Некоторые государства пошли по своему пути. Например, в США многие 2G-сети использовали стандарт D-AMPS . Лишь спустя какое-то время американцы перешли на GSM1900 . А в некоторых странах надолго завоевал популярность стандарт CDMA . Он не был совместим с GSM, поэтому под него разрабатывались отдельные мобильные телефоны.
Постепенно на прилавках магазинов стало появляться всё большее количество портативных устройств, умеющих выходить в глобальную паутину. В связи с этим сотовым операторам нужно было что-то делать, так как в 2G остро не хватало скорости передачи данных. Поэтому вскоре появилось промежуточное поколение сотовой связи, которое принято называть 2, . В этот стандарт внедрили поддержку технологии GPRS , а затем и EDGE . Отныне мобильным телефоном осуществлялась пакетная передача данных - абонент платил за конкретный объем трафика, а не за время соединения с сервером. Это не только сэкономило людям деньги, но и увеличило скорость передачи и приема данных. В 2G-сетях этот параметр равнялся 9,6 Кбит/с, тогда как поддержка телефоном поколения 2,5G позволяла выходить в интернет на скорости до 170 Кбит/с (GPRS) или даже 384 Кбит/с (EDGE). В некоторых странах эти две технологии называли совершенно по-разному, но суть от этого не менялась.
Выше вы видите табличку, в которой указаны конкретные отличия всех стандартов, принадлежащих к поколениям 2G и 2,5G.
Третье поколение сотовой связи
В IMT-2000 (так принято называть 3G в профессиональной среде) входят пять стандартов: CDMA2000 , W-CDMA , TD-CDMA/TD-SCDMA и DECT . Последний не является стандартом сотовой связи, так как он используется в домашней и офисной беспроводной телефонии. Остальные стандарты применяются для обеспечения связью владельцев мобильных телефонов. Все они имеют похожие спецификации. Интересно, что метод работы таких сетей был изобретён в СССР ещё в 1935 году. Однако долгое время данной технологией пользовались лишь военные. В гражданский сегмент она вышла только в середине 1980-ых годов, в силу необходимости развивать мобильную связь.
От 2G третье поколение в первую очередь отличалось повысившейся скоростью передачи данных. Если абонент стоит на месте, то он может скачивать данные на скорости около 2 Мбит/с. При неспешном шаге трафик загружается со скоростью примерно 384 Кбит/с. В транспортном средстве скорость падала ещё сильнее - до 144 Кбит/с.
С появлением смартфонов стало мало и вышеуказанных скоростей. Поэтому достаточно быстро стал популярным стандарт HSPA . Он ознаменовал собой приход поколения 3,5G. Наделенные его поддержкой сотовые телефоны научились передавать данные со скоростью 14,4 Мбит/с. И это было только начало! В дальнейшем стандарт совершенствовался, в результате чего теоретически оказалась достижима скорость 84 Мбит/с. В основе HSPA заложена многокодовая передача данных при сопоставимых размерах сот.
Четвертое поколение сотовой связи
В конце 2000-ых годов на свет стали появляться «айфоны» и «андроиды». Эти смартфоны отличались от предшественников крупным ЖК-дисплеем. Теперь уже никому не хотелось просматривать скромные WAP-странички. Отныне встроенных комплектующих вполне хватало для того, чтобы браузер без каких-либо проблем отображал полноценную страницу, насколько бы тяжелой она не было. Но для её быстрой загрузки требуется высокая скорость. Обеспечить её мог только совершенно новый стандарт. Активная популяризация 4G, или IMT-Advanced , началась в марте 2008 года.
Результатом работы ученых стали два стандарта: WiMAX и LTE . Сейчас вы сами знаете о том, какой из них получил наибольшее распространение. Внедрение LTE позволило существенно увеличить емкость каждой соты, хотя ареал её действия при этом уменьшился. Теперь минимальная скорость передачи данных составляла 100 Мбит/с, чего хватает большинству среднестатистических владельцев смартфон. В дальнейшем этот параметр вырос ещё сильнее. Случилось это за счет реализации технологии LTE-Advanced . В зависимости от категории поддерживаемой аппаратом технологии, может достигаться скорость 400 Мбит/с или даже 1 Гбит/с!
В отличие от предыдущих поколений, стандарт LTE изначально предназначался только для пакетной передачи данных. Но со временем стала доступной и цифровая передача голоса - за это ответственна технология VoLTE . Качество звука при этом гораздо выше, нежели при разговоре посредством сетей 2G или 3G. Однако до сих пор эту технологию поддерживают далеко не все смартфоны.
Пятое поколение сотовой связи
Сейчас идет активная разработка 5G. Возможностей LTE в плане передачи данных вполне хватает. Поэтому при разработке нового стандарта наибольший упор делается на ёмкость сот. Ведь количество абонентов растёт всё сильнее. Больше всего 5G облегчит жизнь создателям носимых устройств и девайсов, объединяющихся в систему «Умный дом». Ожидается, что только на площади в 1 км 2 будет возможно подключение к сети одного миллиона гаджетов! По состоянию на начало 2017 года новое поколение только тестируется. Когда нас ждет полноценная его эксплуатация - не ясно.
Поддержка старых стандартов
Как известно, сотовым операторам приходится размещать на своих вышках гору оборудования. В теории можно было бы заменить 2G-передатчики на 3G-передатчики. Но сделать это - значит лишить связи владельцев мобильных телефонов, работающих только в стандарте GSM. Это привело бы к огромным убыткам, так как даже сейчас подобными аппаратами пользуется огромное число людей - все они тут же перешли бы к другому оператору. Вот и получается, что оборудование приходится дополнять, а не менять.
В обозримом будущем отказа от устаревших стандартов не случится. Объясняется это двумя причинами:
- Кнопочные телефоны до сих пор производятся, а они зачастую не поддерживают даже 3G, не говоря уже о сетях четвертого поколения;
- 2G-оборудование покрывает сетью более обширную территорию, нежели 3G- или 4G-передатчики аналогичной мощности - это позволяет избавить определенную территорию от «белых пятен».
Теперь вы знаете об основных отличиях разных стандартов. Если вкратце, то в первую очередь изменению подвергались ёмкость сот, ширина покрытия (каждый раз в меньшую сторону, так как таковы законы более высокочастотных сигналов) и скорость передачи данных.
