что стало стимулом для разработки технологии 5g
Технологии 5G — будущее уже сегодня
Мобильные 5G технологии
Сеть 5G – мобильная связь нового поколения. Это технология может поменять экономику сетей: скорость передачи данных увеличится, а стоимость их доставки сократится. Эксперты прогнозируют бурный рост доли используемых 5G мобильных устройств в мире – к 2025 году она дойдёт до 15%, а в некоторых странах – до 50%.
Мобильная сеть с технологией 5G
Не секрет, что сети пятого поколения по технологическому развитию следуют за 4G, но их разработка началась еще 5 лет назад. Стимулом для разработки стали ключевые требования к максимальной и минимальной скорости передачи данных, продолжительности их задержки, плотности подключения к сети и т.д.
Внедрение сетей с технологией 5G в нашу жизнь будет достигаться с помощью таких инструментов, как:
Архитектура 5 джи сетей
Реализация мобильной сети 5 G будет разделена на три обширных блока в зависимости от решаемых задач.
Таким образом, в зависимости от важности решаемой задачи, выбирается один из трёх сценариев ее выполнения. Межмашинная связь будет обслуживать такие услуги, как сбор информации со счетчиков коммунальных услуг, оплата парковки, обслуживание аварийных датчиков и др.
Особенности и стандарты
На данный момент большинство пользователей интернета вполне довольны скоростью своей мобильной связи, так зачем же понадобилось 5G? Дело в том, что это не просто новая скорость связи, это технология, открывающая новые возможности для человечества.
Где применяются технологии пятого поколения
Влияние 5G сетей на здоровье человека
По поводу опасности мобильных сетей нового поколения мнения ученых расходятся. Влияние стандартных частот на здоровье человека и животных пока не изучено. Одни ученые утверждают, что сети 5 джи негативно влияют на потовые железы, способствуют раннему старению и перебоям в работе сердца. Также есть мнение о вредном воздействии на ДНК и, как следствие, приводят к мутациям в организме.
Другие ученые утверждают, что 5G сети не опаснее сетей с технологией 3G и 4G. Были проведены эксперименты на эмбрионах, облучаемых частотой 3,5 Мгц и не было обнаружено отклонений от нормы и влияния на их развитие. Но нужно провести больше длительных исследований для того, чтобы получить более достоверные результаты.
В Англии и многих других европейских странах сторонниками первой теории были уничтожены вышки сотовой связи с технологией 5G.Также проходили массовые протесты населения. Учеными разных стран была подана петиция против распространения мобильной связи пятого поколения.
В нашей стране исследования волн миллиметрового диапазона проводится с 1964 года. На основании этих исследований был сделан вывод, что клетки откликаются на излучение. В настоящее время нет таких точных приборов, которые могут измерить это влияние.
Плюсы и минусы 5 G
К плюсам можно отнести:
К минусам относятся:
Это только некоторые достоинства и недостатки внедрения 5G технологий в нашу жизнь.
Технология 5G: стоит ли её бояться?
Что стало стимулом для разработки технологии 5g
50 ГГц и выше в зависимости от страны и оператора. Эти частоты имеют малую дальность распространения и проникающую способность. Их функционирование обеспечат не традиционные базовые станции, а Small cells — многочисленные малые соты.
FR1 неоднороден в различных регионах мира. Так, в Европе и США планируется использовать диапазон 3,4-3,8 ГГц, и наиболее серьёзные разработчики технологий ориентируются именно на него. С другой стороны, Восток — Япония и Китай — планируют использовать 4,4-4,99 ГГц. Россия из-за нехватки частот в «западном» спектре планирует задействовать тот же диапазон, что и азиатские соседи.
На этот счёт ведутся дискуссии: существуют опасения, что дефицит совместимого оборудования увеличит издержки операторов и скажется на качестве работы отечественных сетей. В то же время компромисс рассматривается всерьёз, и, возможно, необходимые частоты будут выделены.
Рефарминг частот — явление не уникальное для 5G, но также примечательное. Дело в том, что каждое последующее поколение мобильной связи отличается от предыдущих не просто сменой диапазона, но и новыми технологиями кодирования. При этом сохраняется возможность работы на базе инфраструктуры предыдущего поколения. То есть станции, задействованные ранее для LTE или, к примеру, для GSM, продолжат функционировать на тех же частотах, но теперь будут передавать данные на основе технологий 5G.
Рефарминг позволит сэкономить на инфраструктуре, обеспечив оптимальное покрытие для сетей нового поколения. Начальный этап их запуска на существующем оборудовании, обслуживающем сети 4G — это фаза NSA (Non-standalone). Позднее по мере подготовки необходимой инфраструктуры мы сможем воспользоваться SA (Standalone) сетями 5G, поддерживающими полный спектр преимуществ нового поколения.
Для каждого из слоёв подходит определённый спектр частот и инфраструктура:
Release 16, разрабатываемый 3GPP, дополнит этот перечень новыми сценариями, среди которых:
Нередко для сетей нового поколения будет использоваться существующая инфраструктура, доставшаяся в наследство от 4G и более ранних поколений. Благодаря более гибкому кодированию и расширенным каналам передачи данных скорость 5G NR будет на 25-50% превосходить показатели LTE.
Вместе с тем нас ожидает масштабное внедрение как физической инфраструктуры, так и программных решений, которые позволят выжать максимум из 5G.
Для развёртывания standalone сетей будут установлены новые типы станций и передающих устройств. Так как речь идёт о более коротких волнах, которые менее устойчивы к помехам и препятствиям, порождаемым окружающей средой, радиус покрытия каждой базовой станции будет снижаться. В связи с этим потребуется более плотная инфраструктура, состоящая из так называемых Small cells — малых сот.
Как правило, для мобильной связи используются станции мощностью 20-40 Ватт. Их заменят более экономичные станции с низким энергопотреблением, мощность которых колеблется от 2 до 10 Ватт — именно они обеспечат массовое покрытие в высокочастотном диапазоне и гигабитные скорости.
Small cells лучше вписываются в городскую среду, могут быть установлены на мачтах освещения, стенах зданий, остановках общественного транспорта, быть выполнены в виде простого объекта — рекламного лайтбокса или урны.
Сами по себе антенны миллиметрового диапазона выдают быстро затухающий сигнал, имеющий ограниченную направленность — всего 4 градуса. Но, отражаясь от аналогичных антенн на протяжении своего пути, сигнал может сохранять силу и менять направление, достигая пользователя.
Для обеспечения стабильной работы малых сот в зданиях, где конструкции не позволяют сигналу свободно распространяться, применима технология Distributed Antenna System. Базовая станция займёт своё место в техническом блоке, и, будучи соединённой посредством проводной связи с антеннами, сможет передавать сигнал в каждое помещение.
В радиосвязи существует понятие Beamforming — формирование луча. Это процесс направления и концентрации сигнала с определёнными параметрами в определённом направлении. В рамках 5G одним из практических решений для этого станет технология Massive MIMO (Multiple-In Multiple-Out). Она поможет избежать избыточной повсеместной установки микросот.
Под Massive MIMO понимаются станции, состоящие из большого массива антенн, которые смогут более адресно направлять сигнал и обслуживать одновременно нескольких пользователей, избегая помех и потери качества сигнала.
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