5G не просто новый стандарт мобильной связи, внедрение сетей 5-го поколения в долгосрочной перспективе преобразует наше восприятие мира и приведет к социальной трансформации общества. При этом изменится экономика сетей: средняя скорость передачи увеличится в 40 раз, а себестоимость доставки напротив уменьшится в 30 раз. Уже к 2024 году, по мнению аналитиков, до 30% мобильного трафика будет идти через устройства с поддержкой 5G. На технологию 5G к 2025 году будет приходиться 15% всего мирового сектора мобильной телефонии (прогноз GSMA, www.gsma.com); на Европу и Китай этот показатель составит 30%, а на США 50%.
Данная статья постарается раскрыть тему применимости мобильной связи 5-го поколения (далее — 5G) в нашем, уже недалеком, будущем. Материал статьи, не претендуя на академический характер повествования, расскажет, чем 5G интересен и как разработчики пользовательского оборудования (User Equipment или UE) могут начать формировать рынок 5G устройств уже сегодня. Доступ UE к сетям 5G можно осуществить посредством соответствующих модулей сотовой связи; в конце статьи коротко рассмотрим номенклатурный ряд 5G-модулей SIMCom Wireless Solutions, их основные характеристики и разницу между ними.
Лонгрид
Ключевые показатели стандарта 5G и технологии
5G (от англ. fifth generation — пятое поколение) — поколение мобильной связи, работающее в соответствии со стандартами телекоммуникаций, следующих за существующей технологией LTE (4G).
Консорциум 3GPP начал формирование спецификации 5G-NR (NR – New Radio, технология радиодоступа для сетей подвижной связи 5-го поколения) в 2015 году. Тогда были озвучены планы по подготовке спецификаций. В соответствии с этими планами 1-ая фаза спецификаций должна была завершиться до второй половины 2018 года (в рамках релиза 15 3GPP), а 2-я фаза – до декабря 2019 года (в рамках релиза 16 3GPP). На данный момент 1-ая фаза завершена с задержкой на год, а 2-ая смещена на третий квартал 2020 года.
План релиза спецификаций 3GPP (источник: https://www.3gpp.org)
Стандарты и спецификации 3GPP созданы участниками рынка и учитывают самые разные бизнес-задачи, у каждой из которых, конечно же, есть свои специфичные требования. Так, рекомендация 3GPP TR 38.913 определила следующие ключевые показатели сетей нового поколения:
- пиковая скорость передачи данных на линии вниз (Downlink) 20 Гбит/с (спектральная эффективность 30 бит/с/Гц);
- пиковая скорость передачи данных на линии вверх (Uplink) 10 Гбит/с (спектральная эффективность 15 бит/с/Гц);
- минимальная задержка в подсистеме радиодоступа для сервисов URLLC — 0,5 мс, для сервисов eMBB — 4 мс;
- максимальная плотность подключенных к сети в городских условиях устройств из мира IoT – 1'000’000 устройств/кв.км;
- автономная работа устройств из мира IoT без подзарядки аккумулятора в течение 10 лет;
- поддержка мобильности при максимальной скорости передвижения объектов 500 км/ч.
А теперь коротко о некоторых технологиях, через которые собственно имплементация сетей пятого поколения становится возможной.
Частота и ширина полос
Спецификация 3GPP TS 38.211 V1.2.0 (2017-11) определила новые полосы радиочастот для 5G (см.табл.1) и разделила их на два блока частот: FR1 (частоты до 6ГГц или sub6G) и FR2 (частоты выше 6ГГц или mmWave). Работа на более высокочастотных диапазонах позволяет устранить различные помехи в сети, которые искажают передачу данных. Кроме того, выше частота – выше ширина полосы, а от нее напрямую зависит пропускная способность канала. Так, для блока FR1, в зависимости от используемого SCS (Sub-Carrier Spacing, вариант разноса радиочастот поднесущих) допускается ширина одного радиоканала до 100 МГц, для блока FR2 – от 50 до 400 МГц! В отличии от сетей LTE, которые допускают каналы шириной всего лишь 1.4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГц. А если скомбинировать ширину канала с агрегацией частот (CA), то для одного соединения можно достигнуть спектра в 2 ГГц и больше.
| Блок радиочастот | Радиочастотный диапазон |
|---|---|
| FR1 | 450 MHz – 6 000 MHz |
| FR2 | 24’250 MHz – 52’600 MHz |
Massive MIMO и Beam Forming (формирование луча)
Формирование луча при помощи MIMO антенн не является новой концепцией и уже существует на рынке сотовой связи в качестве AAS (Active Antenna System, активная антенная система). AAS MIMO антенна, установленная на вышке, позволяет разбить зону покрытия на статические ячейки, тем самым увеличивает эффективность использования спектра, а значит увеличивает количество каналов. Но современные перегруженные сети нуждаются в динамическом цифровом формировании луча для получения максимальной эффективности использования спектра.
2D MIMO антенна (слева) и Massive MIMO антенна (справа)
Применение концепции MIMO антенн в миллиметровом диапазоне FR2 становится еще более интересным т.к. миллиметровые радиоволны обладают хорошими показателями направленности за счет увеличения в разы количества антенных элементов на антенну. Массив таких антенных элементов (256 и более) можно соединить в одну т.н. антенну Massive MIMO. Контролируя фазу и амплитуду сигналов, такая антенна способна динамически формировать множество сильных и острых лучей в направлениях конкретных пользователей. Так, с Massive MIMO мы получаем:
- мощный сигнал на выходе в направлении к UE;
- сильный уровень сигнал/шум в направлении от UE;
- отсутствие межсотовой интерференции;
- значительное увеличение количества каналов связи на одну соту.
Таким образом, технология MIMO обретает разные смыслы в диапазонах sub6G и mmWave как показано в таблице ниже:
| Sub6G | mmWave | |
|---|---|---|
| Порядок MIMO | до 8х8 | 2х2 |
| Смысл | Статичное пространственное мультиплексирование для множества пользователей | Динамическое формирование луча для одного пользователя |
| Характеристика | Многолучевое распространение, идеален для пространственного мультиплексирования. Протяженная зона покрытия, покрытие внутри зданий. | Распространение в прямой видимости. Массовые соединения со сверх широкой полосой пропускания. |
SRS (Sounding Reference Signal, излучение опорного сигнала)
Технология, известная еще с 14-го релиза 3GPP, является важным дополнением к Beamforming. Она позволяет базовой станции узнать о качестве канала через специальный пакет, посылаемый от UE. Обычно большинство UE могут поддерживать отправку SRS только через свою основную передающую антенну. Следовательно, базовая станция может получать информацию канала только для этой антенны. Однако, используя технологию выбора передающей антенны, можно получить полную информацию о каналах всех антенн UE. Следовательно, базовая станция может генерировать луч в направлении UE наиболее лучшим образом. Как результат, пропускная способность UE значительно увеличится, особенно в точках на дальнем и среднем удалении от базовой станции (до +40%).
Network Slicing или «Нарезка сети»
По логике этой концепции, операторы сотовой связи смогут разворачивать изолированные друг от друга сети, каждой из которых можно выделить/назначить свой набор ключевых показателей — для Интернета вещей, широкое покрытие, для городского транспорта – широкую полосу и низкий отклик. Работа данной технологии будет возможна при переходе на ядро сети нового поколения.
Сценарии и примеры оказания услуг мобильной связи в сетях 5G
Если заметили, некоторые из ранее перечисленных показателей, такие как, например, пиковая скорость передачи данных и автономность, просто несовместимыми и даже являются взаимоисключающими. Но все сразу эти показатели и не должны выполняться одним устройством единовременно или в принципе поддерживаться всем списком. Идея заключается в различии разных видов сценария оказания услуг радиоподвижной связи в зависимости от степени важности (высокая, средняя, низкая) того или иного показателя. В концепции Network Slicing, физическая архитектура 5G будет разделена на множество виртуальных сетей или слоёв, каждый из которых предназначен для своего сценария использования. Каждый из сценариев будет удовлетворять тому или иному набору ранее указанных показателей и, соответственно, нацелен на свой сегмент рынка.
Спецификация определяет всего три сценария:
- eMBB (enhanced Mobile Broadband), сверхширокополосная мобильная связь;
- URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication), сверхнадежная связь с низкими задержками;
- mMTC (Massive Machine-Type Communications), массовая межмашинная связь.
Три сценария оказания услуг мобильной связи
NB-IoT и eMTC для mMTC
mMTC — это сценарий межмашинного взаимодействия, когда участие человека минимально, а все процессы автоматизированы. К устройствам mMTC относятся: счетчики воды, газа, электричества; контроллеры уличного освещения; датчики парковочного места; GPS/ГЛОНАСС-закладки; различные сенсоры дыма/огня; датчики взлома; «умные» мусорные баки и прочие IoT-устройства. Как видно, здесь совсем не важны высокая скорость и сверхнизкие задержки, но очень важны автономность и огромное число подключений в сети. Речь идет о т.н. LPWA (Low Power Wide Area) устройствах – о массовых, простых и дешевых устройствах с ультранизким потреблением, способных работать от одной батареи до 10 лет.
Стандарты и спецификации для сетей LPWA были заложены в релизах 13 (Cat.NB1 и Cat.M1) и 14 (Cat.NB2 и Cat.M2) 3GPP и в настоящее время сети NB-IoT (они же LTE Cat.NB1/NB2) и eMTC (LTE Cat.M1/M2) уже запущены в коммерческую эксплуатацию. Сети для таких устройств характеризуются низкими скоростями передачи (до 150 кбит/сек в LTE Cat.NB2 и до 1 Мбит/сек в LTE Cat.M1), широким и «глубоким» покрытием. Надо отметить, что прелесть NB-IoT и eMTC в том, что развертывание сетей со стороны операторов сотовой связи не требует огромных вложений и выделения отдельных частотных полос – эти LPWA сети могут работать в существующих частотных полосах и на существующем сетевом оборудовании, при этом одна базовая станция может обслуживать более обширную территорию по сравнению с существующими сетями 2G, 3G или LTE.
О том, как получить доступ к сетям NB-IoT при помощи модулей сотовой связи SIMCom Wireless Solutions можно прочитать в наших статьях.
5G для URLLC и eMBB
Формально, сети NB-IoT и eMTC можно отнести к сетям 5го поколения, но в данной статье говоря о 5G мы будем говорить о высокоскоростной технологии. Итак, сценарии URRLC (будет включен в релиз 16 3GPP) и eMBB (уже определен в релизе 15 3GPP) находятся в зоне ответственности 5G. Сценарий URRLC, из своего названия, означает сверхнадежная связь с низкой задержкой. А eMBB — сверхширокополосная, а значит, высокоскоростная связь.
Казалось бы, скорости и время задержки в существующих LTE сетях удовлетворяют большинству современных пользователей. Зачем потребителю 5G и какая от него польза?
Давайте рассмотрим инфограмму на рисунке 4, она отражает сферы применения услуг в зависимости от требований к пропускной способности и задержкам. В светлой части мы видим современные сферы применения, ставшие для нас повседневностью – такие как: онлайн игры, просмотр и выгрузка видео, удаленная телеметрия, контроль объектов, датчики и проч. Все эти приложения довольствуются каналом до 100 Мбит/сек и задержками выше 10 мсек.
Сферы применения в зависимости от требований к пропускной способности и задержкам в сети мобильной связи
А теперь обратим внимание на синюю часть инфограммы – это та область, которая открывается с 5G. Видно, что в целом 5G может как улучшить существующие сферы применения, так и породить новые. Рассмотрим некоторые самые интересные применения отдельно. Они нам помогут понять на сколько важным для нас на самом деле является внедрение сетей 5G. Начнем с простого – потоковое видео.
Потоковое видео
Участниками рынка прогнозируется смещение такого классического приложения как «видеостриминг» вправо, в сторону увеличения скоростей передачи данных без особых требований к задержкам. Главным драйвером для этого станет потребность в высококачественном 8K видео.
Сегодня в продаже есть телевизоры с поддержкой 4K видео и некоторые провайдеры предоставляют видеоконтент такого качества. Но надежный доступ к такому контенту, могут получить разве что подключенные к оптоволоконному интернету, доступ к которому есть не во всех населенных пунктах. С появлением 5G 4К и даже 8К видео станут нормой для всех жителей города и пригорода, а в сфере кино/фото-производства такому качеству как детализация станут уделять еще большее внимание.
Требования к пропускной способности сети различных форматов видео
Потребление видеоконтента на широкоформатном телевизоре устанавливает требования к пропускной способности на скачивание. Однако 5G открывает более высокие скорости и на выгрузку. Это откроет двери для внедрения городских систем видеонаблюдения с интеллектуальным распознаванием лиц на всех континентах. В таких системах вся вычислительная часть с искусственным интеллектом находится в сети, от камер видеонаблюдения требуется лишь суметь передать на сервер видео должного разрешения. В мире есть примеры внедрения таких систем.
Правительство Шанхая (Китай) пользуется такой системой уже с 2015 года. К ней подключено более 170 млн. «умных» видеокамер. Для примера [2], данная система помогла обнаружить преступника, в 50 тысячной толпе на пути с концерта популярного певца. На концерт он пришел вместе с супругой и, по словам задержанного, тот рассчитывал затеряться в толпе.
На практике такие системы приносят городу не только экономию средств на обеспечении безопасности и оперативно-розыскных мероприятиях, но и порождают положительный социально-экономический эффект — граждане и туристы не боятся покупать дорогие вещи, посещают публичные места в любое время дня, а бизнес не опасается за сохранность клиентов и имущество, теперь это задача города.
С появлением 5G данная система лишь стала более эффективной и менее затратной при развертывании и обслуживании, а значит — доступнее.
Работа интеллектуальной системы распознавания лиц по потоковому видео с уличных камер
Sky Office
На ранней стадии коммерческого развертывания 5G, за исключением смартфонов, ожидается, что ключевым 5G продуктом станет именно ноутбук с подключением к Sky Office. Sky Office – это концепция переноса вычислительных мощностей ноутбука в облако, при оснащении ноутбука встроенным 5G модемом. Так, в облаке могут размещаться не только файлы пользователя (Cloud Drive), но и программное обеспечение, такое как MS Office 365 (Cloud Office) или игровые программные продукты (Cloud Games). В этой концепции ноутбук становится, проще говоря, экраном с клавиатурой и камерой.
Концепция Sky Office
Если сети сотовой связи обеспечат задержку в единицы миллисекунд и предоставят выделенный надежный канал связи на безлимитной основе (Network Slice), то работа со Sky Office в будущем может стать популярным способом применения ноутбука. При этом потребитель получит ряд интересных потребительских качеств, недостижимых с обычными ноутбуками:
- низкое потребление на уровне планшетов со временем автономной работы 14 часов и более;
- «всегда готов», ноутбук не тратит время на загрузку ПО, оно уже работает – в облаке;
- «везде готов», потеря ноутбука больше не означает потерю данных и лицензий;
- тонкий и легкий корпус, состав и структура ноутбука упрощаются, а это тянет за собой уменьшение размеров и веса;
- пассивное охлаждение, ноутбук больше не производит энергозатратных вычислений и слабо греется;
- связь безопаснее чем Wi-Fi, т.к. 5G практически невозможно взломать, канал связи защищен новейшими алгоритмами шифрования.
Конечно, воплощение концепции Sky Office в реальность требует выстраивания целой экосистемы при участии игроков сразу нескольких отраслей, таких как: производителей операционных систем и ПО, производителей ноутбуков, операторов сотовой связи, облачных сервис-провайдеров, производителей чипсетов, производителей eSIM и модулей 5G. Но несмотря на сложность имплементации, в ближайшем будущем ожидается, что Sky Office будет иметь быстрый рост в Китае и многих других странах.
Виртуальная и дополненная реальность
Индустрия развлечения всегда была локомотивом в развитии бытовой электроники. Самые высокие требования к производительности исходят именно от потребителей игровых консолей. Самым передовыми, но и менее распространенными технологиями в мире игр являются виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR).
Всем известные компании Sony и Microsoft уже как несколько лет предлагают аксессуары для VR и соответствующие 3D игры.
VR от Sony PlayStation, источник: www.playstation.com
VR от Microsoft, источник: www.microsoft.com
Постепенно VR и AR выйдет за рамки игровой индустрии и неизбежно перекинется на образование, медицину, промышленность – потенциал переоценить сложно. На рисунках 10-13 приведены некоторые примеры применения AR из материалов презентации «Microsoft Hololens 2». Следующим шагом в этой отрасли будет совмещение AR и VR с 5G. Технически это уже осуществимо благодаря новому чипсету Qualcomm Snapdragon XR2, совмещающий в себе 5G модем и специализированный XR (от VR+AR) процессор с поддержкой искусственного интеллекта, реагирующим на мимику «пилота».
Понятно, что с 5G онлайн игры только приобретут. С переносом вычислительных мощностей в облако (Cloud Gaming) игровые консоли станут менее загруженными, от этого видео станет более плавным, детальнее и динамичнее. Преодолев технологический барьер с 5G, рынок AR/VR-игр станет более востребованным. Многим откроются виртуальные путешествия в другие города, погружения на дно океана и даже полеты в космос. Известный факт, что восприятие мира человеком сильно зависит от того что он видит, с XR+5G кругозор среднего обывателя значительно расширится, изменит подходы общества к изучению мира и созидательной деятельности во всех сферах.
Студенты изучают структуру микроорганизмов
Медицинский работник проводит анализ результатов МРТ
Инженер проводит наладку техники
Работник завода проводит сборку двигателя
Тактильный интернет
В продолжение темы о XR и искусственном интеллекте, надо сказать отдельно о производном направлении, как тактильный интернет. Тактильный интернет (далее ТИ) — передача тактильных ощущений, прикосновений на любые расстояния с минимальной, практически не ощутимой задержкой. Название технологии было предложено в Дрезденском техническом университете, там еще в 2012 году начались работы по созданию роботизированных систем, способных удаленно передавать ощущения.
Сейчас ученые работают над созданием искусственного прикосновения путем внедрения датчиков в мягкие роботизированные структуры и наиболее чувствительных сенсорных датчиков. Сейчас датчики уже умеют воспроизводить силу и характер касания, различают разные материалы: металл, дерево, текстиль и т.д.
ТИ выдвигает требования, которые будут под силу сетям 5G:
- задержки менее 1 мс;
- надежность – для выполнения критических задач (например, удаленная операция), недопустимы потери в сети, отказ оборудования и т.д.;
- высокая скорость передачи данных – более 10 Гбит/с;
- высокая плотность сети – поддержка подключения более 100 устройств на 1 кв.км.
Для воспроизведения ощущений предполагается наличие каких-либо устройств, находящихся в контакте с получателем, например, одежда (футболки, джемпера, брюки), аксессуары (перчатки), обувь, головные уборы, экзоскелеты или специальные устройства, представляемые собой тактильные дисплеи с крошечными приводами, которые приводят в движение подвижные элементы (иглы, штырьки).
С помощью ТИ можно учить рисовать, играть на музыкальных инструментах, делать удалённые хирургические операции т.е., всё, что требует навыков «мелкой моторики». В электронной торговле можно применить данную технологию для того, чтобы потрогать или примерить на себе товар до его покупки. Музейные экспонаты можно будет трогать и даже ощутить в руке вес древних артефактов. Многопользовательские онлайн шутеры с XR+ТИ станут реалистичнее, можно будет ощутить боль, толчки, удары, жару и холод.
Первые практические примеры применения ТИ в хирургии уже есть и сегодня. В США проходят тесты для внедрения т.н. «телехирургии», когда хирург проводит хирургическую операцию удаленно, через сеть 5G. Телехирургия сильно отличается от классической телемедицины – речь идет не о простой видеотрансляции в режиме конференции, а о «присутствии» хирурга во время операции. Его движения, точность, личные навыки, мгновенная реакция на события – все будет передано через сети 5G без физического присутствия и без ухудшения качества операции. Так, услуги редких специалистов станут доступнее, а пациенты смогут выбирать хирурга независимо от страны проживания.
БПЛА (дроны)
Телехирургия выставляет высокие требования к задержкам и надежности связи, но есть еще одна сфера требующая ко всему прочему и массовость подключения – БПЛА (Беспилотные Летательные Аппараты или «дроны»). Сегодня никого не удивишь легкими беспилотными дронами самых разных назначений – от развлекательных до специализированных военных дронов. С их помощью снимают эффектные видео, проводят разведку местности, спасают людей, перевозят грузы и т.д. Но почти все они управляется человеком напрямую, имеющим прямой беспроводный надежный контакт на не лицензируемой частоте.
В разрезе внедрения 5G, в прогрессивных странах со стороны регулирующих органов к данной теме уже сегодня обращено серьезное внимание, в связи с чем проводятся работы по стандартизации и обеспечению безопасности в этой сфере. К примеру, в Европе существует специальная экспертная группа 5G PPP (5G Infrastructure Public Private Partnership, www.5g-ppp.eu/5gdrones) на базе Европейcкой Комиссии и представителей индустрии информационно-коммуникационных технологий (операторы, провайдеры, институты, малый и средний бизнес) из Британии, Франции, Швейцарии, Австрии, Финляндии, Греции, Польши и Эстонии. Государственно-частное партнерство 5G PPP будет предлагать решения, архитектуры, технологии и стандарты для БПЛА. Через данную государственную инициативу Евросоюз видит один из путей для укрепления своего технологического лидерства на мировой арене.
При наличии стандартов, регулирующих массовый оборот дронов, систем искусственного интеллекта, надежного, постоянного и быстрого беспроводного канала связи 5G для целого улья дронов, можно раскрыть новые рынки и сервисы в самых разных сферах. Представьте: дрон-курьеры, разносящие еду из магазинов или важные медикаменты в труднодоступные места; дроны-спасатели, ищущие потерявшихся в лесу или море людей и днем, и ночью; дроны-пожарные, тушащие очаги возгорания еще на начальной стадии; агрокоптеры, опрыскивающие зерновые культуры – и все в глобальном масштабе, а не в частных случаях.
Швейцарский почтовый дрон Swiss Post от Matternet
Транспортировка людей в труднодоступные места на грузовом дроне
Агрокоптер проводит обработку сельско-хозяйственных угодий
Пожарный дрон Predator-100 (Китай) тушит пожар
Спасательно-поисковый дрон швейцарской авиационно-спасательной организации Rega, самостоятельно ищущая людей
Дрон DJI Matrice 600 Pro доставляет почки умершего человека (США)
Инфраструктура C-V2X
От БПЛА перейдем к беспилотным транспортным средствам. Многие видели видеопрезентацию Tesla (www.tesla.com), где электромобиль под управлением искусственного интеллекта движется по городу с минимальным участием водителя. Или другой пример – сервис Waymo (www.waymo.com), который позволяет при помощи мобильного приложения вызвать такси и доехать на нем до выбранной точки без водителя за рулем.
Работа автопилота Tesla в движении с водителем за рулем
Работа Waymo в движении без водителя за рулем
Оба сервиса построены на разных принципах работы, под управлением мощного искусственного интеллекта, встроенного в авто. Авто принимает ситуативное решение на основе визуальной информации и данных с лидара (Waymo). «Умное» авто находится в условиях окружения «не умных», непредсказуемых авто, находящихся под управлением человека.
Существует инфраструктурный подход к беспилотному вождению, закрепленный в 14-м релизе 3GPP – C-V2X. Аббревиатура C-V2X означает Cellular Vehicle-to-Everything, это концепция передачи информации от транспортного средства любому объекту, который может повлиять на транспортное средство, и наоборот. Данный подход позволяет транспортному средству «общаться» с другими авто (V2V), инфраструктурой (V2I), сетью LTE (V2N), электросетью (V2G), пешеходами (V2P) и даже домами (V2H). 15-й релиз 3GPP так же внес возможность общения авто и с сетью 5G, от чего C-V2X стал более привлекательным благодаря сервису URLLC.
Таким образом транспортные средства, подключенные к системе C-V2X, смогут «видеть» всю картину дорожной обстановки, «знать» о взаимном положении, препятствиях, опасных участках, а искусственный интеллект, расположенный в сети, не просто сформирует для них траекторию движения в отдельности, а сделает это с учетом взаимного влияния на транспортную систему. Такие системы решат проблему транспортировки лучше и безопаснее любого водителя, сократят время в пути каждого участника движения, сделают движение предсказуемым, безопасным и энергоэффективным.
Международная консалтинговая компания PricewaterhouseCoopers (PwC) прогнозирует, что первые машины без водителей появятся на дорогах общего пользования уже в 2021 году, а к 2040 году весь транспорт мегаполисов по всему миру станет беспилотным. Однако, первое время такой транспорт будет требовать внимание со стороны водителя при определенных ситуациях по ходу движения. В этот период будут также решаться правовые вопросы, связанные с беспилотным и электротранспортом. В частности, юридические и страховые аспекты. Будет затрачено определенное количество времени на создание сети зарядных станций для электрокаров.
В России данный сервис уже находится на стадии НИР и прототипирования. В 2018 российский оператор Мегафон в партнерстве с КАМАЗом провел моделирование сервиса V2X в пилотной зоне на базе беспилотного электробуса «ШАТЛ».
Моделирование V2X в пилотной зоне на беспилотном 12 местном пассажирском электробусе «ШАТЛ» от КАМАЗ (Казань, 12 июня 2018)
Теперь, перечислив множество примеров, где 5G будет как никогда кстати, разберемся какое на сегодня состояние сетей 5G и какие барьеры нужно преодолеть на пути к фантастическому будущему.
Состояние сетей 5G в мире и в России
Процесс внедрения сетей 5G в коммерческую эксплуатацию начался уже с 2019 года, правда, пока покрытие таких сетей весьма скромное. На начало 2020 года, сети 5G запущены в эксплуатацию у 47 операторов в 22 странах мира, а вместе с теми, кто запланировал запуск или ведет тестирование будет 279 операторов в 109 странах.
Количество базовых станций 5G-NR в коммерческом обращении [3]
Коммерческие, запланированные и пилотные сети 5G
Что касается абонентского оборудования, то в продаже уже имеется множество моделей 5G смартфонов, роутеров и CPE.
Модели 5G-смартфонов
Первые пользователи уже оценили значительный рост скорости передачи в режиме 5G. Результаты тестов Qualcomm (май 2019) показывают повышение скорости скачивания у 5G устройств по сравнению с LTE устройствами в 3.3 раза. В будущем этот показатель будет выше за счет более плотного покрытия и перехода от LTE EPC ядра к пакетному 5G ядру сети.
В России «большая четверка» операторов в период с августа по сентябрь 2019 года уже провели первые тесты и запуск пилотных сегментов 5G сетей. По результатам тестов на данном этапе задержки в сети в движении вышли менее 10 мсек, а скорости достигали 2 Гбит/Сек на скачивание. Пилотные зоны 5G можно найти на улицах Москвы (Парк Зарядье, Москва Сити, Воробьевы горы, ВДНХ, Сколково, GMS-Hospital, СК Лужники, ст.м.Горький), Казани, Кронштадта и в лабораториях операторов сотовой связи.
Тестирование скорости скачивания (1.3 Гбит/сек) на смартфоне Huawei “Mate X” в сети оператора Билайн (Москва)
Тестовые зоны 5G от МТС (режим NSA, применены LTE FDD 1800 МГц из блока FR1 и mmWave в полосе n257)
Согласно российской программе «Цифровая экономика», устойчивое покрытие сети 5G должно быть обеспечено к 2024 году во всех крупных городах с населением от 1 миллиона человек. В настоящий момент модель развития российских сетей 5G до конца не определена. Проблема, как и в прочих странах, заключается в выборе радиочастотных полос. Операторы считают наиболее привлекательным для 5G диапазон 3,4-3,8 ГГц (n78 и n79), однако он занят другими пользователями, в основном, военными и спецслужбами, и требует работы по высвобождению. Больше ясности с частотными диапазонами появится в 4-м квартале 2020 после открытых торгов, на которых Роскомнадзор должен распределить радиочастоты в формате аукциона.
Путь от LTE к 5G
Как было сказано, текущие сети 4G не выдерживают требований, выдвигаемых новыми сценариями применения. Кроме плотности подключений, пропускной способности радиочасти и проч., задержки в сетях 4G довольно велики. Задержки складываются из задержек в радиочасти и в инфраструктурной части и сегодня они составляют десятки миллисекунд. В долгосрочной перспективе, для полноценных 5G сетей, в том числе и для поддержки Network Slicing и URLLC, потребуется как новая сетевая инфраструктура NGCN (Next Generation Converged Network), так и модернизация сети радиодоступа. Ясно, что провернуть такой объем работ разом невозможно.
Задержки в сети 4G
Консорциум 3GPP изначально учел сложность развертывания новых сетей и принял на вооружение сценарии перехода от стандартной конфигурации LTE сетей (#1) к 5G. Внедрение 5G предлагается сначала проводить поверх существующей инфраструктуры LTE EPC в режиме NSA (Non-Standalone, #3), как это делали операторы сотовой связи весь 2019 год. В такой конфигурации задержки на радиочасти сократятся, но виду ограничений LTE ядра EPC, общий показатель задержки будет далек от требований URLLC. Главный смысл такой конфигурации в другом — в радиочасти мы получим значительное повышение пропускной способности достаточных для большинства существующих приложений eMBB, а также стабильность соединения при большом количестве подключившихся абонентов на одну базовую станцию.
Сценарии построения сети 5G начального и промежуточного периодов
Начальная модель NSA (#3) направлена на улучшение качества мобильного широкополосного интернета для повышения надёжности и объёма передаваемых данных путём использования подключения в режиме EN-DC (E-UTRAN New Radio — Dual Connectivity). Пользовательские терминалы, поддерживающие EN-DC, могут одновременно подключаться к базовым станциям LTE и 5G, при этом базовая станция LTE является якорной (требуется модернизация до ng-eNb, или new generation eNB). Пользовательский терминал (UE) изначально регистрируется в сети через E-UTRAN на низких частотах (<2 ГГц) и начинает транслировать в сеть результаты измерений, выполняемых на сети радиодоступа 5G-NR. При удовлетворительном «качестве радиосигнала» 5G базовая станция LTE ng-eNb инициирует запрос к базовой станции 5G gNB на выделение UE сетевых ресурсов. По завершении процедуры UE подключается одновременно к базовым станциям LTE ng-eNB и 5G gNB. Конечно, зона охвата базовой станции 5G будет значительно уже LTE, т.к. высокочастотный сигнал миллиметрового диапазона имеет больший коэффициент затухания.
Подключение UE к LTE ng-eNB и 5G gNB в режиме EN-DC
Далее, посредством комбинированных базовых станций LTE+5G-NR можно осуществить расширение зоны покрытия 5G за счет применения технологии DSS (Dynamic Spectrum Sharing, динамическое разделение спектра), когда нижний диапазон частот E-UTRAN (<2 ГГц) делится динамически с 5G-NR. До внедрения операторами ядра 5G сети смогут работать вот таким образом.
Расширение зоны покрытия 5G за счет низких частот LTE (DSS)
Далее от этапа #3, когда операторы сотовой связи интегрируют ядро 5G NGCN, они могут переходить к целевому и финальному режиму SA (опции #2 и #5), когда используется одна технология радиодоступа – либо E-UTRAN, либо 5G-NR. Ниже представлен финальный вид сети 5G, способной предоставлять услуги URLLC.
Финальный вид сети 5G
Для удовлетворения растущей потребности eMBB можно задействовать средние частоты (2 ГГц-7 ГГц), увеличив таким образом скорости передачи данных, в том числе и за счет агрегации частот. Ниже частота – больше покрытие, но и меньше ширина канала. Однако есть способ увеличить покрытие сохраняя высокую скорость выгрузки при помощи дополнительного канала линии вверх (SUL, Supplementary Uplink). Как это работает? На рисунке ниже показано, как «парному» (UL/DL) радиоресурсу из средних частот для UE назначается дополнительный непарный канал линии «вверх» (SUL) из низких частот. Тогда в одной соте UE получает 1xDL (средние частоты) и 2xUL (низкие и средние частоты) канала, использование которых будет контролироваться сетью. В этом случае, на границе соты в DL-канале используется среднечастотный сигнал с повышенной мощностью из «парного» диапазона, а в UL-канале – низкочастотный сигнал в непарном SUL диапазоне. В итоге базовая станция «видит» UE на более дальних расстояниях, а скорость скачивания сохраняется как с применением средних частот.
Расширение зоны покрытия средних частот за счет непарного канала
Прогноз покрытия сетей 5G и «последняя миля»
Из сценариев развертывания сетей 5G и применяемых частотных полос следует логика распределения частотных полос под разные сценарии, как показано в таблице 3. Этой концепции подчиняется, технология Network Slicing определенная спецификацией 3GPP; она позволит операторам сотовой связи разворачивать изолированные друг от друга сети, каждую из них можно будет выделять под определенные нужды (для Интернета вещей, трансляция потокового видео и проч.).
| Частоты | Ширина полосы | Сценарии | Характеристика |
|---|---|---|---|
| выше 7 ГГц (FR2) | 800 МГц | eMBB | Сверхвысокая скорость, маленькое покрытие и только на улицах |
| 2 ГГц…7 ГГц (FR1) | 100 МГц | eMBB, URLLC, mMTC | Высокая скорость, широкое покрытие на улицах, удовлетворительное покрытие в помещениях |
| < 2 ГГц (FR1) | 20 МГц | eMBB, URLLC, mMTC | Средняя скорость, вездесущее покрытие на улицах и в помещениях |
Учитывая целесообразность указанных сценариев в мегаполисах, малых городах и поселках, можно составить обобщенную схему покрытия сетями как на рисунке 34. Как известно, в мире от сетей 3G либо уже отказались, либо уже заявили о планах на их отключение. Поэтому на рисунке 3G изображен прерывистой линией. По планам европейских операторов вместо медленного 3G в поселки придет быстрый LTE (сценарий #5) при сохранении 2G для голосового трафика. Покрытие в пригороде будет отличаться более высокими скоростями и низкими задержками, а мегаполисы, кроме того, смогут похвастаться большим числом подключений и сверхскоростным интернетом в местах покрытия частотного диапазона FR2. Как видно, в ближайшие годы 5G сети не заменят 4G сети, а постепенно интегрируется с 4G сетями, значительно улучшив общее положение дел.
Обобщенная схема покрытия сетями 2G, LTE и 5G до 2025 года
Отдельно надо сказать, что такое распределение сетей породит резкий рост рынка FWA (Fixed Wireless Access, см.ниже). Производители CPE (Customer Premises Equipment, настенное или внутридомовое телекоммуникационное оборудование, расположенное в помещении абонента) смогут обеспечить высокоскоростным интернетом жителей территорий, куда высокоскоростное и надежное покрытие 5G по каким-то причинам «не дошло».
Обычно в такие места приходят провайдеры проводного и оптоволоконного интернета. Но 5G FWA создаст серьезную угрозу этому сектору бизнеса. Ведь с 5G у FWA качество широкополосного интернета не уступит оптоволоконному интернету, а стоимость подключения и вовсе будет вне конкуренции, поскольку исключаются подведение оптоволокна/кабеля, монтажные работы и настройка у каждого абонента в отдельности. Установка CPE также проста как установка Wi-Fi роутера и почти не требует обслуживания.
FWA и проводные/оптоволоконные подключения на «последней миле»
CPE внутри дома (Indoor CPE) и настенный (Outdoor CPE)
Возможно, в итоге рынок оптоволоконного/проводного интернета сильно преобразуется, найдет свое специфическое применение, но уже никогда не будет таким массовым как сегодня. И напротив, по прогнозу экспертов SNS Telecom (www.snstelecom.com) к 2030-му году через сервис FWA посредством 5G будет подключено 345 миллионов абонентов, а абонентских устройств CPE будет продано свыше 90 миллионов единиц. В России данный сервис ввиду протяженности территории может быть весьма востребован даже на первоначальной стадии развертывания сетей 5G.
Количество подключений FWA с использованием 5G (источник: SNS Telecom)
Абонентские модули 5G SIMCom Wireless Solutions
Как было сказано, 5G смартфоны и планшеты уже поступили в продажу. Компания SIMCom Wireless Solutions (www.simcom.com), с 2002 года специализирующаяся на разработках и производстве модулей сотовой связи для М2М рынка, в 2019 году анонсировала планы расширить продуктовую линейку модулями 5G. Сегодня портфолио модулей пополнено 4 моделями: SIM8200G, SIM8200EA-M2, SIM8300NA (пока версия для Сев.Америки) и SIM8300G-M2.
Линейка 5G модулей SIMCom Wireless Solutions sub6G («а» и «б») и sub6G+mmWave («в» и «г»)
Все четыре модуля построены на платформе SoC Snapdragon X55 (или SDX55) от Qualcomm, произведенной по 7 нм технологии. Модули соответствуют 15-му релизу спецификации 3GPP. Поддерживается Fallback на LTE-FDD/LTE-TDD/3G, режим EN-DC, massive MIMO и глобальный набор частотных диапазонов (см. табл.ниже). Абонентское оборудование на базе дынных модулей сможет работать как в сетях 5G переходного периода в режиме NSA, так и в финальных сетях 5G в режиме SA, т.е. везде, где есть покрытие E-UTRAN или 5G-NR. Модули 82-й серии поддерживают работу в sub6G диапазоне, в то время как 83-я серия вдобавок поддерживает и миллиметровый диапазон (mmWave). Модули исполнены в двух форм-факторах – в корпусе LGA под пайку и в виде карты M2. Первый интересен, когда от модуля требуется обширный набор интерфейсов и/или механический способ монтажа противопоказан условиями эксплуатации конечного изделия. Карточки M2 имеют стандартный размер и интерфейсы (PCIe 3.0, USB 3.1, USIM…), что позволяет предусмотреть в изделии сотовую связь как опциональную. В некоторых случаях LTE карту даже можно сменить на карту 5G.
| SIM8200G | SIM8200EA-M2 | SIM8300G-M2 | ||
|---|---|---|---|---|
| Спецификация 3GPP | Rel.15 | |||
| NSA/SA | + | |||
| Скорость передачи данных | mmWave | нет | до 7 Гбит/сек (скачивание), до 3 Гбит/сек (выгрузка) | |
| sub-6G | до 4 Гбит/сек (скачивание), до 450 Мбит/сек | до 4 Гбит/сек (скачивание), до 300 Мбит/сек | до 4 Гбит/сек (скачивание), до 600 Мбит/сек (выгрузка) | |
| LTE | до 2 Гбит/сек (скачивание), до 150 Мбит/сек (выгрузка) | до 2.4 Гбит/сек (скачивание), до 200 Мбит/сек (выгрузка) | ||
| HSPA+ | до 42 Мбит/сек (скачивание), до 5.76 Мбит/сек (выгрузка) | |||
| Частоты | 5G NR mmWave | - | - | n257/n258/n260/n261 |
| 5G NR Sub6G | n1/n2/n3/n5/n7/n8/n12/n20/n28/n38/n40/n41/n48/n66/n71/n77/n78 (n79 у SIM8200G и SIM8300G-M2) | |||
| LTE-FDD | B1/B2/B3/B4/B5/B7/B8/B12/B13/B14/B17/B18/B19/B20/B25/B26/B28/B29/B30/B32/B66/B71 | |||
| LTE-TDD | B34/B38/B39/B40/B41/B42/B43/B48 (B46 у SIM8300G-M2) | |||
| WCDMA | B1/B2/B3/B4/B5/B8 | |||
| GNSS | ГЛОНАСС, GPS, Beidou, Galileo, QZSS | |||
| Интерфейсы | USB2.0, USB3.1, UART, PCIe Gen3.0, USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO, SPI, ADC, RGMII, SDIO3.0, PMI, WiFi | USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0, 2xUIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO | USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0,USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO | |
| Количество антенн | 8 | 6 | 14 | |
| Встроенные протоколы | NDIS/RNDIS/PPP/TCP/IPv4/IPv6/Multi-PDP/FTPS/HTTPS/DNS/SSL/TLS | |||
| Голосовые вызовы | VoNR, VoLTE, CSFB | |||
| Обновление ПО | Через USB или FOTA | |||
| Размеры | 41.0 мм Х 43.6 мм | 30.0 мм Х 52.0 мм | 30.0 мм Х 52.0 мм | |
| Напряжение питания | 3.3…4.3 В | |||
| Диапазон температур | -30…+85 C | |||
На данный момент уже имеется несколько примеров реализации проектов на базе модулей 5G, такие как CPE, роутеры, дрон-самолет и USB-модемы и проч. По опыту компании, надо сказать, от разработчика требуется высокая компетенция в области конструирования ВЧ техники подобного класса, особенно в случае с модулями 83-й серии, т.к. они для работы в миллиметровом диапазоне (mmWave) требуют подключение от 2-х до 4-х внешних антенных модулей QTM525-2 или QTM527-2, которые должны удовлетворять некоторым условиям взаимного расположения.
5G-USB Dongle UM80 на базе SIM8200EA-M2
Антенные модули миллиметрового диапазона QTM525-2 (а) и QTM527-2 (б)
Антенные модули внутри корпуса совмещают слоистую антенную структуру, блок питания, фильтры, усилители и цепь частотного преобразования. Антенный модуль соединяется с модулем 5G через гибкий шлейф и парный ВЧ кабель (синие линии на рис.ниже), через которые распространяются сигналы вертикальной и горизонтальной поляризаций (IF-V и IF-H). Для работы антенных модулей требуются два источника питания, один из них поставляется непосредственно от модуля (1.9В, желтая линия на рис.ниже), а другой от внешнего источника (3.3В, красная линия на рис.ниже). При этом модуль управляет включением и выключением антенных модулей отдельным цифровым сигналом.
Подключение 4 sub6G антенн и 4 модульных антенн к модулю 5G на плате устройства
Разработчикам для тестирования модулей 5G предоставляются отладочные наборы, с помощью которых можно на начальном этапе оценить работу в диапазонах sub6G и mmWave без больших затрат времени.
В России модули 5G впервые были презентованы в январе 2020 на специализированной конференции «5G: от технологии к реализации» в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича. В рамках конференции заинтересованные участники рынка, такие как: Qualcomm, Huawei, Megafon, SIMCom Wireless Solutions и другие, обсудили текущее состояние сетей 5G в России и мире, технические решения, проблемы внедрения и многие другие вопросы, в том числе и частотный спектр для сетей пятого поколения. Частотные диапазоны под сети 5G в России пока до конца не определены, операторам сотовой связи еще предстоит провести множество тестов, в том числе модулей сотовой связи различных производителей, чтобы определиться с выбором полос в тех или иных регионах. Однако, у представленных модулей 5G список поддерживаемых полос обширен, а это значит, что практически любые комбинации диапазонов, выбранные операторами, модулями будут поддерживаться.
Как вывод
Говорить, что сети 5G приобрели свой зрелый, финальный вид, еще рано. Нам предстоит дождаться 16го релиза, который по замыслу консорциума закроет 2ю фазу спецификаций и определит начало массового внедрения опорных сетей 5го поколения. Однако это не мешает уже сегодня начинать работы по изучению новой технологии, что заложит фундамент для будущих проектов, ведь сети радиодоступа 5G-NR в общем доступе уже имеются, хоть и в ограниченном виде. Надо понимать, сети 5G рано или поздно станут нашей повседневностью и переход от NSA режима в SA будет гладким и незаметным, а наработки, сделанные сегодня, не пропадут зря.
Используемые материалы
- Батуев Б.Б. SIM7000E/SIM7000E-N: применение энергосберегающих режимов PSM и eDRX в сети NB-IoT. Беспроводные Технологии. 2017. №2.
- www.youtube.com/channel/UCWAK-dRtTEjnQnD96L6UMsQ — видео с канала Youtube «РосБизнесКонсалтинг».
- www.speedtest.net/ookla-5g-map — сервис Ookla.
