5G: сотовые сети пятого поколения — Игорь Santry
7 min read
Новое поколение сотовой связи обещает больше чем бесперебойное подключение и высокую скорость доступа к сети Интернет – шанс воплотить в жизнь фантастические планы футурологов. Вспомним, как все начиналось…
Прежде чем углубиться в устройства технологии 5G, следует кратко изучить то, как развивались и эволюционировали мобильные сети.
Те коммуникационные возможности, которые можно условно назвать 0G, были доступны с середины 40-х и до 70-х годов прошлого века. Это были «портативные» радиотелефоны, по сути представлявшие собой рации – аналоговое радио со встроенным передатчиком для обратной связи и узлом-коммутатором, в котором работали операторы, соединяющие абонентов.
Поначалу из-за больших габаритов коммерческое использование радиотелефонов ограничивалось их установкой на транспортные средства, от автомобилей и до судов. Лишь к концу 70-х 0G-передатчики стали действительно мобильными.
С 1981 года можно говорить создании первого поколения мобильной связи. Радиотехника, необходимая для передачи голоса, была достаточно уменьшена, чтобы быть втиснутой в форм-фактор мобильного телефона. Стандарт 1G, как 0G, все еще основывался на аналоговых сигналах и обеспечивал передачу голоса по полосе пропускания приблизительно в 2 килобита в секунду. Работу телефонистов автоматизировали.
К 1992 году мобильные телефоны, ставшие компактными и доступными, снискали популярность в США. Как раз кстати пришелся новый цифровой стандарт связи – 2G, который, помимо речи, позволял отправлять SMS – короткие текстовые сообщения на скорости от 14 до 64 килобит в секунду. Впоследствии скорости 2G увеличились до 144 килобит в секунду, однако потребности рынка росли.
Именно такими телефонами пользовались в начале 90-х
В 2001 году дебютировал 3G. Это была мобильная технология, поддерживающая передачу любых видов данных на скоростях от 144 килобит в секунду до 2 мегабит в секунду. С появлением и распространением 3G стало возможно создание смартфонов.
Промежуточные стандарты 3,5G и 3,75G обеспечили пиковые скорости до 2 мегабит в секунду и до 10 мегабит в секунду соответственно.
Потребовалось еще приблизительно 10 лет, чтобы создать и внедрить нечто более быстрое. Протокол 4G был сосредоточен не на новых функциях, а на достижении скорости проводного соединения. Без 4G не мог бы существовать сегодняшний мир, буквально пронизанный телекоммуникациями.
Наиболее актуальный стандарт Long-Term Evolution (LTE) – долговременное развитие 4G – обеспечивает подключение от 10 мегабит в секунду до теоретических 100 мегабит в секунду, которые, впрочем, никак не удается получить на практике из-за целого ряда проблем.
Стандарт связи будущего – 5G – многообещающая технология. Она призвана преодолеть ограничения существующих форматов связи и не только предоставить еще более высокие скорости подключения, но и стать платформой для долгожданных инноваций.
Если в начале 80-х нельзя было помыслить о чем-то кроме голосовой связи, а в 2012 ставка делалась на скорость коммуникаций, то в случае 5G нас ждет революция в духе той, что произошла с появлением 3G.
При создании сотовых сетей пятого поколения акцент делается разом на три направления:
Паспортный максимум для мобильного устройства с поддержкой сети пятого поколения – 10 гигабит в секунду, что в 100 раз больше максимального показателя для LTE. Причем уже сейчас многие компании отодвигают эту границу. Nokia продемонстрировала скорость до 20 гигабит в секунду, Huawei утверждают, что в их лабораториях удалось перешагнуть порог в 70 гигабит в секунду. Однако следует иметь в виду, что в условиях городов, полных помех, сеть вряд ли достигнет таких высоких скоростей.
В реальных сценариях использования 5G тестируют в Samsung и Ericsson. Эти компании прогнозируют, что сотовая связь пятого поколения поначалу предоставит абонентам порядка 1–5 гигабит в секунду, что, впрочем, превышает показатели проводного подключения среднестатистического российского абонента.
Если скорость подключения — очевидное преимущество, то о других особенностях 5G стоит поговорить отдельно.
Фактор, почти такой же важный, как пропускная способность сети, – низкая задержка. Это время, за которое устройства, управляемые через сеть, реагируют на действия, и вы получаете от них ответ. Все, кто увлекается мультиплеерными компьютерными играми, сталкивались с этим понятием и хорошо представляют, как нелегко эффективно управлять виртуальным аватаром, когда тот реагирует на команды не сразу, а спустя доли секунды.
В сетях 4G диапазон задержки где-то между 50 и 100 миллисекундами. 5G-сети уменьшат эту задержку до 1–5 миллисекунд. Это важно, поскольку открывает новые возможности для дистанционного управления техникой.
Например, до сих пор люди продолжают работать на строительных площадках в кабинах высотных кранов. Почему они должны рисковать и каждый день подниматься на высоту?
Потому, что сверху отлично видно, что происходит на конце стрелы крана. Но с 5G можно без проводов установить камеру в любом месте, хоть на конце стрелы, хоть на поднимаемом грузе, и получить гораздо лучший обзор. Оператор крана при этом будет сидеть не в замкнутом пространстве кабины, а расположится в комфортабельном офисе.
Другой пример касается автомобильной промышленности и сферы грузоперевозок.
Не так давно было обнаружено, что фуры, едущие друг за другом очень близко, подобно поезду, экономят топливо. В BMW этот эффект называют hypermiling. В результате снижения аэродинамического сопротивления у грузовиков, следующих вплотную к ведущему автомобилю, потребление топлива снижается на 15%, что в конечном счете ведет к сокращению выбросов парниковых газов и к громадной выгоде для компании-перевозчика.
Но, чтобы извлекать выгоду из эффекта hypermiling, необходимо постоянно удерживать минимальную дистанцию между машинами. Человеческий мозг реагирует на изменение дорожной ситуации со скоростью 30 миллисекунд и более. Этого недостаточно, чтобы избежать аварий на высокой скорости, если грузовики двигаются вплотную.
Другое дело автопилоты. Необходимо только обеспечить надежный канал связи между грузовиками, и они будут двигаться как единое целое, мгновенно синхронизируя скорости и реагируя на изменение дорожной ситуации. Технология 5G предложит для передачи команд беспроводную сеть с минимальной задержкой.
То же касается медицинских роботов, чьи действия должны быть максимально точны и оперативны вне зависимости от удаленности хирурга от пациента. Для дистанционной хирургии 5G предлагает не только надежную передачу команд без задержек, но и эффект присутствия за счет видеоформата виртуальной реальности, транслируемого без задержек.
Таким образом, внедрение 5G является катализатором для масштабных изменений в целом ряде областей. К тому же сотовая связь пятого поколения послужит основой для развития долгожданной технологической ниши.
Вы замечали, что мобильный Интернет плохо работает на стадионах, в концертных залах и прочих местах, где одновременно собирается много людей?
С начала развития сотовых сетей они передавали данные в частотном диапазоне между 3 и 6 гигагерцами, но теперь этого недостаточно. Число подключенных устройств растет экспоненциально. Ожидается, что к 2020 году средний потребитель будет иметь от 6 до 8 подключенных к сотовой сети устройств, причем 3 из них человек будет постоянно носить с собой.
Умножая это число на прогнозируемую плотность населения, аналитики получают порядка 50 миллиардов подключенных к Интернету устройств. Если бы все эти девайсы оставались в пределах установленного сейчас частотного спектра, ни один из них не смог бы работать.
Миллиметровые волны в зоне спектра от 6 до 300 гигагерц позволяют решить эту проблему, однако эффективно использовать их для сотовой связи инженеры научились только сейчас.
Первым шагом на пути создания сотовых сетей пятого поколения стала технология MIMO – Multiple Input Multiple Output. Это способ радиосвязи, в котором прием и передача данных происходят с помощью сразу нескольких антенн.
На базовых станциях сотовой связи четвертого поколения устанавливалось до десятка антенн. Оборудование для 5G, поставляемое Ericsson, снабжено 64 антеннами, такие компании, как Huawei, ZTE и даже Facebook демонстрируют успешную работу передатчиков с массивами от 96 до 128 антенн. Такой метод позволяет увеличить полосу пропускания канала связи без повышения мощности излучения и, следовательно, риска для здоровья людей.
Основная проблема с подобными массивами антенн, работающих в диапазоне от 6 до 300 гигагерц, заключается в том, что сигнал высокой частоты легко поглощается атмосферой и плохо распространяется сквозь стены зданий, туман и дождь.
Чтобы сто антенн работали и передавали данные, не мешая, а дополняя друг друга, потребовалось внедрить технологию под названием «beamforming», что принято переводить как «формирование луча».
Когда смартфон попадает в зону покрытия сотовой башни, он просто принимает ее сигнал. В случае с «beamforming» базовая станция замечает появление абонентского устройства и оценивает то, как лучше доставить до него информацию.
Тут в дело вступает сразу несколько антенн, отрегулированных таким образом, чтобы их сигналы, слабые по отдельности, накладывались друг на друга в той зоне, где находится устройство абонента, усиливались за счет интерференции. Это следует делать в реальном времени, так что удачной аналогией будут несколько прожекторов, освещающих сцену театра.
Стоит актеру появиться перед публикой – и слабые по отдельности прожектора вместе образуют яркое пятно света, выхватывающее человека из темноты и следующее за ним, куда бы тот ни двинулся.
Такой подход дает лучший результат в сочетании с уменьшением ячеек сотовой сети – распространением маленьких «дочерних» станций, которые можно будет расставить в любом месте. Так называемых пико и фемосот.
До недавнего времени небольшие соты использовались для расширения охвата сотовых сетей в загородных районах, но в сочетании с технологией 5G они станут ключевым средством для борьбы с потерями сигнала и отличным подспорьем для работы «beamforming».
С этими технологиями 5G-сети способны поддерживать нормальную связь приблизительно с полумиллионом устройств на квадратный километр без перегрузок. Это открывает возможности для установки огромного количества датчиков, умных устройств из категории Интернета вещей и создания умной городской инфраструктуры.
Тем более, что передача данных в сетях пятого поколения энергоэффективна. В сети 4G требуется 1 миллиджоуль энергии для передачи 1000 бит информации, в то время как сеть 5G выполняет ту же задачу, тратя всего 0,01 миллиджоуля. Для потребителей это значит то, что их смартфоны при подключении по 5G будут работать дольше.
Не стоит рассчитывать на то, что 5G быстро вытеснит LTE. История развития телекоммуникационной индустрии показывает, что с момента появления нового поколения сотовой связи и до пика ее популярности проходит порядка 20 лет. Таким образом, 4G, представленный в 2010 году, достигнет пика в 2030-м, по крайней мере, в глобальном масштабе. Но соотношение используемых технологий изменится быстрее. К 2019 году распределение 2G, 3G и 4G будет составлять 37,5%, 37,5% и 25% соответственно. Предполагается, что к 2024 году на 4G будет приходиться 60% сетевого трафика.
Так что речи о сколько-нибудь скорой замене 4G и даже 3G не идет, тем более, что 4G, точнее, LTE-A Pro, является неотъемлемой частью процесса плавного перехода на 5G.
Новые радиомодули для смартфонов уже поступили в производство и к началу следующего года появятся в потребительских устройствах. Они позволят использовать 4G и 5G совместно, подобно тому, как сейчас смартфоны переключаются между 3G и LTE.
Пока сети пятого поколения остаются заботой операторов связи. Крупные телекоммуникационные компании России активно работают над внедрением этого стандарта. Ожидается, что время Чемпионата мира по футболу 2018 года будут протестированы первые в России сегменты сетей пятого поколения. Они обеспечат трансляцию видео с камер, установленных на стадионах, так же, как это происходило на зимней Олимпиаде в Пхёнчхане.
Впервые опубликовано в блоге Onlime.