В последнее время все чаще обсуждается вопрос о будущем сетей Wi-Fi в связи с ожидаемым массовым строительством сотовых сетей пятого поколения. Действительно, зачем нужен Wi-Fi в мире, где сотовые сети обеспечивают миллиарды людей высокоскоростным доступом в интернет? Остановится ли в развитии семейство стандартов Wi-Fi с приходом 5G? Уйдет ли технология с рынка, завершив свою «историческую миссию»? Всем, кто ответил на эти вопросы утвердительно, посвящается эта статья. Всем остальным, кто разбирается в сетевых технология, надеемся, тоже будет интересно почитать.
Спойлер
Проиллюстрировать текст о «борьбе» двух технологий мы решили кадрами из бессмертной трилогии «Матрица», в которой борьба между машинами и людьми закончилась сосуществованием.
Несмотря на кажущуюся важность и логичность, вопросы о соперничестве Wi-Fi и 5G построены на искусственном противопоставлении родственных по сути, но различных по моделям применения технологий. Большинство утверждений о недолговечности Wi-Fi принадлежит представителям сотовых операторов, в конце статьи мы расскажем, почему.
А пока попробуем вместе развеять два заблуждения – «5G гораздо быстрее Wi-Fi» и «Wi-Fi очень скоро умрет». Для начала вернемся в прошлое и разберемся, что же такое 5G и что такое Wi-Fi.
Частотный голод
Под 5G понимают новое поколение стандартов сотовой связи, которое, как многие считают, совершит новую революцию в телекоммуникациях. Между тем, аналогичный взгляд в отношении 4G в свое время был, пожалуй, более оправдан. По сравнению с 3G 4G на порядок увеличил скорость передачи данных, технология получила абсолютно новый радиоинтерфейс, новую архитектуру опорной сети и массу новых возможностей для операторов (и, как следствие, для абонентов). В случае с 5G изменений и улучшений тоже много, и некоторые из них весьма радикальны. Но есть один важный факт, о котором говорят редко: на основе стандартов 5G будут создаваться сотовые сети трех разных категорий. Это сети 5G для традиционных сценариев использования сотовой сети в диапазонах 1-6 ГГц, сети для сплошного покрытия территории и интернета вещей (IoT) на частотах ниже 1 ГГц и сети миллиметрового диапазона. И только первый из этих трех видов 5G будет широко доступен для обычных мобильных абонентов в обозримом будущем. У остальных двух видов будут особые модели использования, о которых мы тоже расскажем.
Но сначала о животрепещущем — о «сверхзвуковых скоростях» для абонентов. Для массового обслуживания обычных абонентов будут предназначены сети 5G, работающие в более или менее привычных нам диапазонах частот от 1 до 6 ГГц. На более высоких частотах уже практически невозможно обеспечить сплошное покрытие с помощью ограниченного числа мощных базовых станций (макро-сот). К сожалению, свободных частот ниже 6 ГГц мало, и это общемировая проблема. С 3G и 4G мы уже проходили и продолжаем проходить конверсию участков спектра, перенос разного рода потребителей в другие области частот, в будущем рефарминг частот из более старых стандартов в более новые. Очевидно, что волшебного нового источника свободных частот для 5G в привычных диапазонах нет. Собственно, большая группа новых решений 5G как раз и направлена на смягчение проблемы нехватки частотного ресурса. Цель новых идей и технологий в сотовой связи — всегда повышение емкости и скорости сети без существенного роста ее стоимости. Что же именно можно придумать для приближения к этой цели? И что конкретно предлагает для этого 5G?
Wi-Fi спешит на помощь
Для увеличения емкости и скорости работы сети можно было бы получить новые частоты. Как уже сказано, взять их по большому счету неоткуда, поэтому сотовая связь пытается выйти в диапазоны, которые заняты другими технологиями. В 5G свое дальнейшее развитие получают методы использования сотовой связью частот Wi-Fi, уже имеющие целый ряд реализаций в 4G. Для Wi-Fi в мире выделены достаточно большие участки спектра (сотни мегагерц) в полосе 1-6 ГГц, и сотовые операторы давно за ними «охотятся».
Но просто забрать эти частоты у публичных сетей нельзя, поэтому разрабатывается семейство технологий, позволяющих одновременно использовать эти частоты для Wi-Fi и сотовой связи, причем без существенного вреда для качества Wi-Fi. Это интересный тренд. От простого переиспользования общей полосы в технологии LTE-U (плохо координированной и вредящей Wi-Fi) развитие пошло сначала к технологии LAA (поддерживается 3GPP Release 13), использующей принцип Listen Before Talk (LBT), а потом к стандартам LWA и eLAA. Они уже не просто определяют способ совместного использования частот, но и описывают технику прямой координации (через интеграцию и обмен данными) радиоподсистем Wi-Fi и сотовой связи (поддерживаются с Release 13 и 14 соответственно). Здесь важнее всего тренд координации и кооперации сетей сотовой связи и Wi-Fi. Запомним его. Будут ли эти технологии влиять на ожидаемую скорость и емкость сотовых сетей? Конечно, с помощью этого тренда можно обеспечить определенный рост этих параметров, однако революции здесь ожидать не стоит.
Гормоны 5G роста
Если не хватает частот, нужно повысить спектральную эффективность — в той же полосе частот передавать в одном канале больше данных. Здесь 5G лучше, чем 4G за счет обновлений в схемах модуляции и кодирования сигнала, но радикального прогресса ожидать не приходится. Современные системы модуляции уже близки к физическим пределам и практически достижимая спектральная эффективность сотовой связи в единичном канале не может быть радикально повышена. Кстати, при переходе от 3G к 4G рост спектральной эффективности единичного канала был более значительным, чем ожидается при переходе к 5G. Тем не менее, значительный потенциал роста эффективности использования частотной полосы для оказания услуг еще есть, но он реализуется более сложными средствами. Это распределение частотного ресурса между сервисами сети, более эффективное деление ресурса между восходящим и нисходящим каналом передачи данных, самоорганизация сети, рекомбинация ресурса и координация сот, улучшенная поддержка многочастотности (агрегации несущих) и т.п. Все это будет активно использоваться в 5G и даст положительный эффект, но в четвертом поколении уже присутствует и развивается большинство этих подходов.
Если нельзя радикально улучшить эффективность использования единичного канала, логично попытаться организовать оодновременный обмен разными потоками данных между сетью и абонентом или абонентами в одной и той же полосе частот. Иными словами, нужно повысить уровень переиспользования частотного ресурса. Для этого каналы передачи данных, работающие в одной частоте, необходимо изолировать друг от друга, чтобы избежать взаимных помех. Есть несколько подходов к решению этой задачи, в основном, давно использующихся в существующих сотовых сетях и получающих дальнейшее развитие в 5G.
Рост емкости сотовых сетей всегда был обеспечен комбинацией трех факторов, перечисленных выше: расширением используемого спектра, увеличением спектральной эффективности и повышением уровня переиспользования частот. В последние два десятилетия основное внимание уделяется именно техникам переиспользования и они вносят главный рост в увеличение емкости. По разным оценкам, за все время существования сотовой связи емкость за счет частотного ресурса выросла в 3-4 раза, за счет роста спектральной эффективности в 5–6 раз, а за счет улучшения использования частот — в 40-60 раз.
Новая технология — еще не бизнес
Самый известный вариант переиспользования частот — это установка многих сот: чем больше сот, тем больше раз можно использовать один и тот же спектр. Главное ограничение данного подхода — взаимные помехи (интерференция) на границах зон покрытия. Чем сот больше, тем зоны их покрытия меньше и тем большую их долю занимают области с высокой интерференцией. Для борьбы с этим применяется масса способов — от стратегий переиспользования частотных полос в зависимости от взаимного расположения базовых станций до сложных алгоритмов координации сигналов по мощности и фазе на границах зон покрытия. С ростом количества сот растет и сложность, и, конечно, стоимость решений, позволяющих их совместно использовать.
В 5G предусмотрено улучшение эффективности использования большого количества сот, но все же и это улучшение лишь эволюционное. Идеология 5G, казалось бы, направлена на избавление от макро-архитектуры, но то же самое говорили и про 4G. В период массового строительства сетей 4G рынок ожидал захвата малыми сотами роли основного поставщика услуг связи в условиях плотной городской застройки, и взрывного роста их производства и потребления. Множество микросотовых архитектур и поддерживаемых стандартами 3GPP решений, для которых на рынке доступно качественное оборудование, не то чтобы остались невостребованными, но так и не стали основным способом формирования покрытия сетей. Покрытие вне помещений по-прежнему формируется преимущественно секторами макро-сот, а малые соты используются по большей части в качестве дополнительного инструмента, позволяющего закрывать «дыры» в покрытии и повышать качество работы сети. Очень частая модель использования малых сот сегодня — это установка их в непосредственной близости от макро-сот. При этом сеть параметризуется так, чтобы абоненты вблизи макро-соты (находящиеся в близких к идеальным условиях распространения радиосигнала и способные подключаться на очень высокой скорости) в основном обслуживались бы ее «свитой» из малых сот, за счет чего абоненты, расположенные на удалении, получали бы больше ресурсов соты и улучшенное качество и скорость связи.
Главная причина сохранения вспомогательной роли малых сот и сравнительно медленного роста количества сот вообще не техническая, а экономическая. Рост трафика в сотовых сетях (что бы ни говорили об этом сотовые операторы) в последнее десятилетие происходил, хотя и очень интенсивно, но медленнее, чем предполагал рынок на фоне завышенных ожиданий эпохи начальных инвестиций в 4G. И, что еще важнее, сотовые операторы так и не научились хорошо зарабатывать на этом трафике. Уже в момент появления 3G сотовый рынок прекрасно осознал угрозу превращения сотовых операторов в «трубу данных» с быстро падающей стоимостью передаваемого в сети трафика. Если посмотреть выступления на отраслевых конференциях тех времен руководителей телекоммуникационных компаний, они в один голос рассказывали, что через несколько лет сотовые операторы будут продавать абонентам не базовые сервисы («голос», сообщения и передачу данных), а контент и множество полезных услуг (медийных, коммуникационных, связанных с контролем, управлением и безопасностью, игровых и т.д.). Эксперты предсказывали, что именно это станет главным источником доходов операторов связи.
Конечно, сегодня сотовые операторы предлагают множество полезных услуг, но по-прежнему извлекают львиную долю своих доходов из все тех же старых добрых данных, «голоса» и сообщений. Только теперь данные переместились на первое место. Доходы от допуслуг и контента остались лишь приятным дополнением. Отсюда и очень консервативный подход последнего времени к инвестициям, неизбежно отражающийся и на архитектуре сотовых сетей. Широкое внедрение малых сот в городах оказалось экономически невыгодным и пока не очень понятно, как 5G сможет повлиять на этот удручающий факт.
В 5G предусмотрено улучшение эффективности использования большого количества сот, но все же и это улучшение лишь эволюционное. Идеология 5G, казалось бы, направлена на избавление от макро-архитектуры, но то же самое говорили и про 4G. В период массового строительства сетей 4G рынок ожидал захвата малыми сотами роли основного поставщика услуг связи в условиях плотной городской застройки, и взрывного роста их производства и потребления. Множество микросотовых архитектур и поддерживаемых стандартами 3GPP решений, для которых на рынке доступно качественное оборудование, не то чтобы остались невостребованными, но так и не стали основным способом формирования покрытия сетей. Покрытие вне помещений по-прежнему формируется преимущественно секторами макро-сот, а малые соты используются по большей части в качестве дополнительного инструмента, позволяющего закрывать «дыры» в покрытии и повышать качество работы сети. Очень частая модель использования малых сот сегодня — это установка их в непосредственной близости от макро-сот. При этом сеть параметризуется так, чтобы абоненты вблизи макро-соты (находящиеся в близких к идеальным условиях распространения радиосигнала и способные подключаться на очень высокой скорости) в основном обслуживались бы ее «свитой» из малых сот, за счет чего абоненты, расположенные на удалении, получали бы больше ресурсов соты и улучшенное качество и скорость связи.
Главная причина сохранения вспомогательной роли малых сот и сравнительно медленного роста количества сот вообще не техническая, а экономическая. Рост трафика в сотовых сетях (что бы ни говорили об этом сотовые операторы) в последнее десятилетие происходил, хотя и очень интенсивно, но медленнее, чем предполагал рынок на фоне завышенных ожиданий эпохи начальных инвестиций в 4G. И, что еще важнее, сотовые операторы так и не научились хорошо зарабатывать на этом трафике. Уже в момент появления 3G сотовый рынок прекрасно осознал угрозу превращения сотовых операторов в «трубу данных» с быстро падающей стоимостью передаваемого в сети трафика. Если посмотреть выступления на отраслевых конференциях тех времен руководителей телекоммуникационных компаний, они в один голос рассказывали, что через несколько лет сотовые операторы будут продавать абонентам не базовые сервисы («голос», сообщения и передачу данных), а контент и множество полезных услуг (медийных, коммуникационных, связанных с контролем, управлением и безопасностью, игровых и т.д.). Эксперты предсказывали, что именно это станет главным источником доходов операторов связи.
Конечно, сегодня сотовые операторы предлагают множество полезных услуг, но по-прежнему извлекают львиную долю своих доходов из все тех же старых добрых данных, «голоса» и сообщений. Только теперь данные переместились на первое место. Доходы от допуслуг и контента остались лишь приятным дополнением. Отсюда и очень консервативный подход последнего времени к инвестициям, неизбежно отражающийся и на архитектуре сотовых сетей. Широкое внедрение малых сот в городах оказалось экономически невыгодным и пока не очень понятно, как 5G сможет повлиять на этот удручающий факт.
Смартфоны и MIMO
Другой способ повышения емкости и скорости через повторное использование частотного ресурса — многоканальный прием и передача данных от одной соты одному или многим абонентам. Это семейство технологий, имеющих общее название MIMO (Multiple Input Multiple Output) и построенных на принципе пространственного мультиплексирования радиоканалов. В 5G предусмотрено применение т.н. Massive MIMO (M-MIMO) и связанной с ней технологии бимформинга (по сути, это варианты общего подхода на основе использования многоэлементных антенн), в теории позволяющих увеличить совокупную пропускную способность радиосети в десятки раз. Эту дополнительную пропускную способность можно использовать либо для увеличения количества одновременно обслуживаемых абонентов в зоне покрытия, либо для увеличения скорости передачи данных для конкретных абонентов или групп абонентов. Бимформинг дополнительно повышает эффективность использования частотного ресурса сети, пользуясь тем, что не все абоненты в зоне покрытия одновременно нуждаются в полной скорости доступа. Принцип его работы — динамическое перераспределение мощности сигнала (с помощью формирования направленных лучей) в пользу тех абонентов, которым в данный момент требуется получать большой объем данных.
M-MIMO — это сложная технология, которая требует создания фазированных антенных решеток с многими сотнями элементов и при этом по разумной цене и в форм-факторах, позволяющих их использовать в городах (вне городов такие системы просто не нужны). Нет сомнений в том, что M-MIMO со временем получит широкое распространение в базовых станциях. Но очень важно подчеркнуть, что со стороны абонентов использование MIMO ограничено ценой, размерами, энергетическими параметрами и разрешенной мощностью излучения носимых устройств. Практически достижимое в смартфоне количество независимых каналов передачи данных весьма ограничено, а качество их работы сильно зависит от условий применения и расстояния до базовой станции. Таким образом, если емкость сети 5G за счет M-MIMO действительно можно увеличить сильно, то скорость обмена данными между сетью и отдельным абонентом будет расти гораздо медленнее, сдерживаясь возможностями абонентских устройств, и очень существенно зависеть от условий использования.
M-MIMO — это сложная технология, которая требует создания фазированных антенных решеток с многими сотнями элементов и при этом по разумной цене и в форм-факторах, позволяющих их использовать в городах (вне городов такие системы просто не нужны). Нет сомнений в том, что M-MIMO со временем получит широкое распространение в базовых станциях. Но очень важно подчеркнуть, что со стороны абонентов использование MIMO ограничено ценой, размерами, энергетическими параметрами и разрешенной мощностью излучения носимых устройств. Практически достижимое в смартфоне количество независимых каналов передачи данных весьма ограничено, а качество их работы сильно зависит от условий применения и расстояния до базовой станции. Таким образом, если емкость сети 5G за счет M-MIMO действительно можно увеличить сильно, то скорость обмена данными между сетью и отдельным абонентом будет расти гораздо медленнее, сдерживаясь возможностями абонентских устройств, и очень существенно зависеть от условий использования.
Но есть и хорошие новости: просто нужны очень большие инвестиции
Все вышеперечисленное может дать значительный рост емкости сотовых сетей 5G, работающих в стандартных диапазонах частот, по сравнению c 4G, но не может дать какого-то прорывного роста скорости связи, доступной отдельному абоненту. Понятия емкости и скорости передачи данных в сотовой сети тесно связаны, но не равнозначны. Рост количества абонентов, которых сеть может обслужить без потери качества, не означает, что сеть будет работать намного быстрее для каждого отдельного абонента в реальных условиях.
Нужно подчеркнуть, что для получения значительного эффекта от описанных выше нововведений придется ставить больше базовых станций, подключать их к пакетным сетям передачи данных с увеличенной пропускной способностью, использовать намного более сложные и дорогие антенные системы и получать больше спектра. Никакой магии, нужны очень большие инвестиции. А инвестируют обычно туда, где есть бизнес. Для сотовых операторов пока непонятно, зачем инвестировать огромные средства в массовый сегмент сетей 5G со сплошным покрытием и высокой емкостью.
Сеть для IoT и улучшенный 4G
Коротко остановимся на других видах сетей 5G. Важнейший из них — это сети межмашинной связи или IoT (Internet Of Things). Здесь 5G имеет большие преимущества перед предыдущими поколениями сотовой связи. Это, в первую очередь, малый уровень задержки (на порядок ниже, чем в 4G) и возможность обслуживания очень большого количества абонентов в зоне покрытия одной соты. Стандарты 5G включают протоколы связи категории LPWA (Low Power Wide Area), которые предназначены для низкоскоростной малоинтенсивной связи очень большого количества абонентов при очень низком уровне энергопотребления модемов. Благодаря архитектуре и параметрам 5G можно построить не только сенсорные сети (объединяющие разные датчики и исполнительные устройства, например, городских систем), но и высоконадежные системы управления транспортными средствами (автомобили и дроны) и различными роботами и роботизированными комплексами. Сети IoT 5G будут в основном строиться на частотах ниже 1 ГГц, где площадь, покрываемая сигналом одной соты гораздо больше, чем на более высоких частотах. В то же время, высокоскоростная связь в этих частотах в 5G для обычных абонентов вряд ли будет доступна, по причине нехватки спектра и потому, что Massive MIMO на частотах ниже 1 ГГц использовать затруднительно из-за больших размеров антенн.
Третий тип сетей 5G предназначен для обеспечения абонентов связью с очень высокой скоростью. Здесь речь идет о пиковых скоростях до десятков гигабит в секунду. Это сети в высокочастотных диапазонах с длинами волн менее одного сантиметра (миллиметровые диапазоны), которые ранее никогда не использовались для сотовой связи. Причина решения включить эти диапазоны в стандарт 5G состоит в том, что в них имеются очень большие незанятые участки спектра (многие сотни мегагерц).
Очень многие люди, рассуждающие о значительном росте скорости связи в 5G, не отдают себе в полной мере отчета в том, что сверхвысокие скорости будут доступны только в сетях миллиметровых диапазонов. Сигналы этих частот распространяются таким образом, что для связи почти всегда нужна прямая видимость между антеннами передатчика и приемника (то есть, сигнал практически не огибает препятствия), а разрешенная (да и технически доступная) мощность излучения очень мала. Это значит, что в условиях города для построения поля сплошного покрытия в миллиметровом диапазоне нужно установить огромное количество малых сот.
Публично доступные оценки показывают, что для крупных городов количество сот потребуется увеличить в 500-1000 раз, по сравнению с количеством сот, достаточным для формирования покрытия в стандартных диапазонах. К сожалению, даже это не обеспечит непрерывность связи (абоненту достаточно неудачно повернуться, чтобы перекрыть сигнал от базовой станции). Другого практического способа создать сплошное покрытие не существует (если не считать проекты с использованием дронов и аэростатов). То есть, сеть 5G миллиметрового диапазона со сплошным покрытием в городе получится очень дорогой, для нее почти нельзя переиспользовать существующую инфраструктуру и она плохо подойдет для обычных абонентов, свободно перемещающихся в зоне покрытия. Кроме того, для связи в миллиметровом диапазоне пока не существует абонентского оборудования, подходящего для встраивания в типовые смартфоны и планшеты, и в ближайшем будущем они вряд ли появятся. По вышеизложенным причинам, данный тип сетей будет в среднесрочной перспективе применяться для решения различных задач по передаче данных к стационарным (например, домам) или регулярно движущимся (поезда, автомобили, городской транспорт) объектам, а также для организации отдельных хотспотов, но не для обычных мобильных абонентов.
Это далеко не все особенности 5G, но уже можно сформулировать промежуточный вывод. В среднесрочной перспективе (мы бы оценили ее в 5-7 лет, но это субъективная оценка), никакого революционного эффекта от строительства сетей 5G абоненты не получат. Их пользовательский опыт с появлением смартфонов и участков покрытия с поддержкой 5G будет улучшаться за счет более высокого и стабильного качества работы сети и более высокой доступной им скорости передачи данных. В этот период сети 5G будут восприниматься абонентами, скорее, как улучшенный 4G. Скорость передачи данных при покрытии 5G и устройства, его поддерживающего (о темпах появления на рынке устройств 5G мы сейчас не говорим), будет, как правило, выше, но останется в том же порядке величины. Если сейчас в идеальных условиях можно видеть в коммерческих сетях LTE пиковые скорости выше 100-150 Mbps, а средние варьируются в интервале 10-40 Mbps, то в сетях 5G ожидаются пики до 200-300 Mbps и выше, а средняя скорость может составить 30-80 Mbps.
5G в зданиях
Выше рассматривались сотовые сети вне помещений. Ситуация внутри помещений (indoor) имеет ряд особенностей. Именно там потребляется большая часть трафика, в том числе, мобильного. Поэтому для сотовых операторов важно обеспечить качественное покрытие и высокую пропускную способность сети в городских зданиях. Поскольку наиболее вероятные спектральные области, доступные для связи 5G, будут располагаться в окрестности 3-4 ГГц, макро-соты, расположенные на улице, не смогут формировать качественное покрытие внутри городских зданий из-за сильного поглощения радиосигнала на этих частотах в стенах. Следовательно, сигнал 5G должен будет исходить от антенн, расположенных прямо в зданиях. Внутри помещений применение MIMO высоких порядков, как правило, не имеет технического и экономического смысла, поэтому в indoor 5G будут использоваться малые соты и антенные системы, похожие на те, что используются сегодня для сетей 4G в помещениях. По этой причине скорости передачи данных, которые будут доступны в помещениях абонентам 5G на частотах ниже 6 ГГц, окажутся того же порядка, который можно получить сегодня в indoor сетях 4G.
В настоящее время большая часть трафика, потребляемого пользователями смартфонов и планшетов, создается не в сотовых сетях, а в сетях Wi-Fi. Например, по данным Mediascope в России 78% трафика мобильных устройств идет через Wi-Fi и только 22% через сотовые сети. И этот трафик преимущественно потребляется в помещениях. Чтобы ситуация изменилась, нужно не только, чтобы сотовая сеть предоставляла большую скорость передачи данных, чем Wi-Fi (это и сейчас часто так), но также чтобы эта скорость была доступна и в местах общественного пользования, и в домах и квартирах абонентов. Решение этой задачи для 5G потребует гигантских инвестиций в строительство indoor-сетей, в том числе, в жилых зданиях.
Wi-Fi не хуже 5G, и вот почему
Теперь, спустя краткого ликбеза о 5G, рассмотрим главный вопрос. А чем Wi-Fi отличается от 4/5G и чем он, собственно, хуже или лучше сотовой связи? Представление о Wi-Fi, как о технологии, во многом формируется опытом использования существующих публичных сетей, устроенных весьма примитивно. Между тем, современный Wi-Fi способен в области передачи данных практически на все то же, на что способны сотовые сети. Wi-Fi в полной мере поддерживает мобильность, позволяя строить непрерывные зоны покрытия и обслуживать движущихся абонентов, классы обслуживания, автоматическую авторизацию в сети, развитую защиту данных, автоматический роуминг между сетями Wi-Fi разных операторов. Более того, и со стороны стандартов сотовой связи 3GPP, и со стороны стандартов Wi-Fi IEEE предусмотрено множество средств для совместного использования и координации работы Wi-Fi и 4/5G. Это и ранее упомянутые технологии семейств LAA/LWA, и Wi-Fi Calling, и роуминг между сотовыми сетями и сетями Wi-Fi с автоматическим выбором сети. С точки зрения способа передачи данных Wi-Fi весьма близок и 4G, и 5G, поскольку в стандартах семейства 802.11 применяется метод модуляции OFDM, а в современных версиях — OFDMA, почти аналогичный тому, что используется в сотовых сетях 4/5G. Есть множество особенностей и отличий, но фундаментально способы и доступные уровни модуляции и кодирования Wi-Fi и 4/5G близки (куда ближе, чем 3G и 4G между собой), а значит, похожа и спектральная эффективность в единичном канале.
Нужно подчеркнуть, что Wi-Fi развивается параллельным с сотовыми сетями курсом, но всегда опережает стандарты сотовой связи по поддерживаемым скоростям передачи данных на коротких расстояниях. За последние 10 лет, как и в сотовой связи, произошла одна большая смена поколений стандартов Wi-Fi. Современный 802.11ac практически вытеснил 802.11n (принят в сентябре 2009 года) из продуктовых линеек производителей оборудования. Но если в сотовой связи замена стандартов сопровождается значительными и дорогостоящими трансформациями инфраструктуры в связи с ограниченной или отсутствующей обратной совместимостью между поколениями связи, то Wi-Fi развивается куда более гладко. 802.11ac имеет полную обратную совместимость с 802.11n и для его использования в существующих сетях не нужны серьезные преобразования. Поскольку 802.11ac является стандартом де-факто на сегодня, логично сравнить его параметры с доступными сейчас параметрами сетей 4G. IEEE использует подход внедрения стандартов «волнами» (впрочем, как и 3GPP) и 802.11ac уже прошел стадию первой волны (Wave 1) и сейчас находится на стадии Wave 2. В стандарте предусмотрено использование Multi User MIMO (чего ранее в Wi-Fi не было), а пиковая скорость физического канала (PHY rate), доступного на этой стадии, составляет 2.34 Gbps при использовании трех пространственных потоков и полосы частот в 160 МГц (теоретически можно использовать и четыре потока). Реально достижимая пиковая скорость передачи данных при такой скорости канала может составить около 1.5 Gbps. 802.11ac Wave 1 предлагал канальные/реальные скорости до 1.3/0.8 Gbps, а «старичок» 802.11n в полосе 40 МГц до 450/300 Mbps при трех потоках. Ожидаемая в скором будущем полная реализация спецификации IEEE 802.11ac позволит использовать до восьми пространственных потоков, получать физический канал до 6.77 Gbps и реально достижимые пиковые скорости передачи данных до 4.5 Gbps. В существующих Wi-Fi сетях высокого качества (такие есть), можно наблюдать пиковые скорости в 100-150 Mbps при использовании мобильных устройств и выше 200 Mbps при использовании современных ноутбуков даже на оборудовании последних версий устаревшего стандарта 802.11n. Идущий на смену 802.11ac новый стандарт 802.11ax (первый утвержденный вариант ожидается в 2019 году) добавит еще около 40% спектральной эффективности в единичном канале и четырехкратное увеличение общей эффективности использования доступной полосы частот. Есть также стандарт 802.11ad, который, как и миллиметровая «часть» 5G, предназначен для высокоскоростной связи в сверхвысоких частотах (в данном случае, это 60 ГГц). Данный стандарт определяет пиковую пропускную способность канала в 7 Gbps и поддерживает бимформинг. В отличие от миллиметровой части 5G, для 802.11ad уже имеется целый ряд серийно производимых чипсетов для создания абонентских устройств. Ему на смену идет новый стандарт 802.11ay, с теоретическими пиковыми PHY rate до 44 Gbps в одном потоке, который добавит в миллиметровый Wi-Fi Multi User MIMO с поддержкой четырех потоков (то есть, теоретическая физическая пропускная способность при использовании четырех потоков и полной полосы частот составит до 176 Gbps), агрегацию каналов, и значительно увеличит рабочие расстояния между клиентским устройством и точкой доступа (до сотен метров). Наконец, для полноты аналогии с 5G, упомяну еще один новый стандарт 802.11ah (который имеет еще официальное название Wi-Fi HaLow, что почему-то произносится, как «ХейЛоу»), который описывает связь для IoT в диапазоне 900 МГц. Причем в этом стандарте, как и в 5G, все в порядке с задержками и энергопотреблением. Хорошо видно, что идеология развития стандартов IEEE близка к 3GPP и три описанных выше типа сетей формируются и в мире Wi-Fi.
Посмотрев на эти цифры, логично задать вопрос — а почему, собственно, считается, что «5G быстрее»? Теоретически достижимые максимальные скорости передачи данных в сетях 5G и сетях Wi-Fi вполне сравнимы. С технической точки зрения 5G не будет быстрее Wi-Fi (на самом деле, в новых стандартах Wi-Fi для 5 ГГц пиковые скорости могут быть выше, чем в 5G стандартных диапазонов, в зависимости от наличного частотного ресурса, а в миллиметровых диапазонах будут намного выше). Но на самом деле, это не так важно. Основное отличие между сотовыми сетями и Wi-Fi состоит не в скорости передачи данных, а в моделях использования. Теперь мы готовы сформулировать это более точно.
Why-Fi?
Сотовые сети предназначены для массового обслуживания огромного количества абонентов, причем несут в своем дизайне унаследованный груз тех самых базовых услуг. Сотовые операторы вынуждены строить свои инфраструктуры так, чтобы обеспечить максимально единый пользовательский опыт, поддержку всех стандартов и по возможности всех частотных диапазонов везде, где имеется покрытие сети, в любых условиях, в чистом поле и в условиях плотной городской застройки, в зданиях и на открытом воздухе. 5G, кстати, впервые пытается системно отойти от этой идеологии, архитектурно переосмыслить ее, предлагая строить сети такого типа, как требуется (вспомним про три типа) именно там, где они востребованы.
Wi-Fi исходно и по сей день — технология, построенная вокруг только одной базовой услуги, — передачи данных, — и ориентированная почти исключительно на области, где компактно присутствуют много сравнительно малоподвижных абонентов, преимущественно, в помещениях. При этом набор дополнительных сервисов у Wi-Fi сильно отличается от сотовых сетей, во многом благодаря отсутствию необходимости заключения договора и наличия SIM-карты. Многие из них доступны только в таких сетях: показ рекламы при подключении, гиперлокальная реклама и аналитика, кратковременный платный доступ для туристов с мгновенной активацией. Кроме того, благодаря нейтральности Wi-Fi по отношению к мобильным сетям, возможны оффлоадинг трафика, Wi-Fi Calling и международный роуминг для абонентов всех операторов сотовой связи и любых операторов Wi-Fi.
Типовое массовое оборудование Wi-Fi, соответствующее стандартам, имеет значительные ограничения по мощности излучения и рассчитано на обслуживание абонентов, находящихся на небольшом расстоянии. Легко видеть, что Wi-Fi по своей природе нишевая технология. Именно за счет этого, Wi-Fi с точки зрения архитектуры значительно проще сотовых сетей. Самое значительное упрощение — отсутствие в идеологии Wi-Fi какой-либо единой централизованной опорной сети, которая в случае сотовой связи не только обязательно присутствует, но и очень сложна. Каждый сегмент Wi-Fi может строиться независимо, с использованием решений по обработке и маршрутизации трафика «по месту» и при этом управляться централизованно одним оператором. В качестве коммуникационной среды, обеспечивающей сетевое единство такой системы, прекрасно подходит сеть Интернет. Еще одно отличие состоит в том, что диапазоны, в которых работает Wi-Fi, либо не требуют лицензий и разрешений, либо имеют существенно упрощенный порядок лицензирования и меньшую стоимость частотного ресурса, по сравнению с частотами для сотовой связи. За счет этого сети Wi-Fi гораздо дешевле удельно в расчете на одного абонента в зоне покрытия. Как бы ни менялась технология сотовой связи, фундаментальным отличием ее от Wi-Fi остается именно удельная стоимость инфраструктуры, позволяющей обслуживать в заданной области определенное количество абонентов с заданным уровнем сервиса. Wi-Fi всегда дешевле.
С другой стороны, если стараться строить с помощью Wi-Fi решения для создания сплошного покрытия, обслуживания большого количества абонентов вне помещений с единым уровнем сервиса и централизованным управлением абонентской базой, то результат будет хуже, чем в случае сотовых сетей, экономическая эффективность и качество которых намного превосходят Wi-Fi вне зданий. Следует также помнить, что частоты Wi-Fi защищены слабее, чем частоты сотовой связи, и вероятность возникновения в них помех гораздо выше. Это не слишком важно в помещениях, где ситуация, как правило, находится под контролем владельца, но создает большие проблемы вне зданий.
Мир как альтернатива войне
Сотовых операторов беспокоит наличие публичных сетей Wi-Fi вовсе не потому, что их уровень качества, удобства использования и безопасности ниже, чем у сотовой связи, а потому, что они бесплатны. Поскольку сотовые операторы так и не научились зарабатывать всерьез на чем-то, кроме трафика, наличие бесплатной, пусть даже и менее качественной альтернативы их сетям для них неприемлемо. Рынок давно предлагает альтернативу вражде между сотовой связью и Wi-Fi, заключающуюся в выгрузке трафика сотовых абонентов в сети Wi-Fi (Wi-Fi Offload) в автоматическом, прозрачном для пользователя режиме. Абонент может даже не знать, через какую сеть идет в данный момент его трафик, поскольку все услуги (и голосовая связь, и передача данных и все виды сервисов сообщений) работают без каких-то отличий. Есть много видов и технологий Wi-Fi Offload (например, сейчас активно развивается Wi-Fi Calling, по сути, относящийся к категории Offload), а также продвинутых способов кооперации и координации сотовых и Wi-Fi-сетей (некоторые упомянуты выше в тексте), и все чаще сотовые и Wi-Fi-операторы во всем мире их применяют. По мере появления современных и качественных сегментов сетей Wi-Fi, они становятся естественной альтернативой строительству или расширению собственной инфраструктуры при росте трафика или смене поколений сети, либо позволяют ограничить инвестиции за счет создания сетей сотовой связи меньшей емкости.
Процесс формирования кооперации между сотовыми сетями и Wi-Fi очень плохо идет в России. На мой взгляд, причиной этого является практическое отсутствие действительно качественных, соответствующих стандартам и хорошо эксплуатируемых сетей Wi-Fi в нашей стране. Здесь имеется проблема курицы и яйца. Чтобы построить качественную сеть Wi-Fi в зоне, где много абонентов, нужно инвестировать существенные средства (которые, хотя и значительно ниже соответствующих расходов сотовых операторов, но тоже вполне материальны). Чтобы инвестировать, нужно иметь бизнес-кейс. То есть, уметь зарабатывать на этой сети. Но зарабатывать на публичных бесплатных сетях Wi-Fi практически никто не умеет. В итоге публичные сети Wi-Fi в массе своей строятся при наличии прямого заказчика и внешнего финансирования для решения любых задач (удобство для посетителей, безопасность и т.д.), кроме коммерческих. А значит, такие сети проектируются для минимизации всех расходов при сохранении минимально-допустимого качества и не учитывают никак потребности сотовых операторов. Накопившийся со временем опыт использования таких «дешевых» сетей, в свою очередь, привел к формированию стереотипа о низком качестве Wi-Fi, как технологии. На самом деле, при правильном использовании и качественном проектировании, строительстве и эксплуатации, Wi-Fi может обеспечить пользовательский опыт ничуть не хуже, чем 4G или 5G, но за меньшие деньги и только там, где его целесообразно использовать.
Last but not least: про метро
Отдельно хочется прокомментировать вопрос о сетях Wi-Fi в метрополитене. Как известно, МаксимаТелеком является оператором такой сети в подвижных составах метрополитена Москвы и Санкт-Петербурга. Мы обслуживаем порядка 1,5 млн уникальных абонентов ежедневно. Нас часто спрашивают, как мы относимся к перспективе прихода полноценной сотовой связи в тоннели метрополитена, особенно, в стандарте 5G и как это повлияет на наших абонентов и считаем ли мы, что это приведет к значительному оттоку абонентов в сотовые сети.
Начну с 5G. Преимущества 5G, напомню, очень сильно базируются на технологии MIMO. В тоннелях метрополитена, по чисто физическим причинам, MIMO высоких порядков и бимформинг работать не будут. Поэтому сеть 5G с точки зрения скорости передачи данных и емкости в тоннелях метро не будет как-то существенно отличаться от 4G (более того, и от 3G тоже). Доступная абонентам скорость и емкость сети будут, главным образом, определяться частотным ресурсом, который смогут задействовать операторы в тоннелях, а не стандартом связи. Поэтому, мы не думаем, что смена поколений связи в метро хоть как-то повлияет на нашу абонентскую базу. Мы считаем, что сам факт появления в тоннелях качественной сотовой связи в Москве (если это когда-нибудь случится) будет гораздо важнее, чем переход ее на 5G в каком-то неопределенном будущем.
Конечно, очень важным является вопрос удобства и безопасности использования сетей. Здесь есть разница между сотовой сетью и публичной сетью Wi-Fi. Часто говорят, что для абонентов публичных сетей большой проблемой является необходимость идентификации в сети, которая в нашей стране диктуется законом. Опыт МаксимаТелеком показывает, что однократно требуемая идентификация для абсолютного большинства абонентов не является препятствием для использования сети. Гораздо больше абонентов беспокоит реклама, которую мы показываем при каждом входе в сеть. МаксимаТелеком строит сети на собственные и заемные средства, метрополитены двух столиц не платят нам за то, что мы предоставляем услуги Wi-Fi для пассажиров (и никогда не платили). Наоборот, мы платим деньги метрополитенам за право разместить в метрополитене свою инфраструктуру.
Стоимость создания и содержания наших сетей весьма велика, поскольку они включают не только Wi-Fi и пакетные сети передачи данных, но и транспортную радиосеть, обеспечивающую связь между движущимися составами и базовыми станциями в тоннелях метро. Именно эта компонента нашей инфраструктуры (т.н. Track Side Network, TSN) наиболее дорогостоящая, и именно она является базой для уникального сервиса, который мы создаем для наших абонентов. Мы являемся коммерческой компанией, и наша бизнес модель предусматривает, в отличие от сотовых операторов, получение дохода не за передачу данных, а за рекламу и сервисы (то, о чем сотовые компании мечтают, но так и не умеют делать). Мы должны показывать абонентам определенный объем рекламы, чтобы сама услуга оставалась бесплатной для них. Сегодня каждый абонент делает выбор между бесшовным входом, но платным трафиком и низким качеством сотовой связи в метро и входом с рекламой, но бесплатным неограниченным трафиком и доступной сетью. Если сотовая связь хорошего качества появится в составах в Москве (пока только МТС с нашей помощью обеспечивает там надежную голосовую связь в стандарте 3G), то какая-то небольшая часть абонентов, особенно тех, для кого очень важна быстрота входа в сеть, скорее всего предпочтет ее сети Wi-Fi. Мы этого совершенно не боимся, потому что всегда сможем обеспечить более высокое качество связи через нашу сеть Wi-Fi в вагонах (скорость, стабильность и доступность), чем сотовые операторы при намного меньших инвестициях. И наличие или отсутствие у них 5G здесь совершенно ни причем.
А еще у нас есть открытые вакансии
Посмотрите их здесь
