Кто управляет стандартом сетей 5G?
Системы беспроводной связи являются предметом постоянных исследований и разработок, как коммерческими организациями, так и в академическом мире. И как любой тип связи, они должны быть стандартизированы – им должен быть назначен определенный диапазон характеристик электромагнитных волн, в которых сеть будет функционировать. А также определены все требования и ограничения.
В случае систем радиосвязи наиболее важным международным органом по стандартизации является консорциум 3GPP (Проект партнерства по сетям третьего поколения), который, несмотря на присутствие в аббревиатуре 3G (третье поколение), определяет стандарты и для последующих систем, в настоящее время – пятого поколения (5G). В консорциум 3GPP входят семь национальных и региональных организаций по стандартизации из разных частей мира (например, ETSI – Европейский институт стандартов электросвязи) и основные производители телекоммуникационного оборудования.
5G в мире
В США пока не утверждены дорожные карты развития 5G, однако обозначены ориентиры, причем основной акцент сделан на поддержку конкуренции. В США и Канаде распределение радиочастот проводится при помощи аукционов с доступом всех операторов, при этом действуют антимонопольные ограничения на объем приобретаемого 5G-спектра одним оператором. Также американский регулятор активно инвестирует в мобильные разработки — около 500 миллионов долларов направлено на исследования беспроводных технологий и на тестовых платформ 5G-систем.
В странах ЕС разработаны единые для входящих в содружество стран стратегические документы по развитию 5G, определены радиочастоты для внедрения 5G. Вместе с тем, страны могут формировать и собственные стратегии, при этом реализуется принцип технологической нейтральности. Приобретение радиочастот происходит на конкурентной основе, также существуют ограничения на приобретение ресурсов, одним оператором. На финансирование разработок и тестов в сфере 5G, создание локальных 5G-кластеров страны выделяют десятки миллионов евро.
Япония утвердила нормативы, регламентирующие политику внедрения 5G, а Южная Корея пока ее лишь формирует. В Японии отсутствует ожидаемая конкуренция при распределении радиочастот. Регулятор выделяет частоты на основании оценки планов самих операторов связи по их использованию. В Южной Корее действует конкурентное распределение радиочастот. Инвестиции в технологии составляют в указанных странах сотни миллионов долларов, в частности Южная Корея планировала истратить на исследования 5G к 2020 году $490млн.
Использование низких частот (до 1 ГГц) в случае 5G дает наибольшую зону охвата. Зона общенациональных сервисов с высокими требованиями к надежности и низким временем отклика, полномасштабная поддержка мобильного транспорта, а также машинных коммуникаций.
Средние частоты 5G (1-6 ГГц) предполагается использовать для традиционных мобильных сервисов. На этих же частотах планируется использование большинства сценариев расширенного мобильного широкополосного доступа и сервисов с требованиями стабильной связи и сверхнизкой задержки передачи данных
Высокие частоты (свыше 6 ГГц) позволяют обеспечить сверхвысокую пропускную способность, однако с ограниченной зоной действия. Частоты этого диапазона используются при точечном покрытии для поддержки отдельных сценариев с высокими требованиями к скорости и числу подключений на ограниченной по охвату территории: VR-сервисы, «последняя миля» в коттеджных поселках, зоны с высокой концентрацией абонентов — больницы, торговые центры, спортивные объекты.
Что стало стимулом для разработки технологии 5G?
Вначале был 1G. Радиосигнал — аналоговая передача, как в обычном стационарном телефоне. Единого стандарта не было, SMS отсутствовали. Скорость передачи – ненормированная. Использовался в 1980-х годах, в настоящее время сети этого стандарта нигде не эксплуатируются.
2G. Переход с аналогового формата на цифровой, благодаря чему становятся возможны шифрование и передача данных, SMS, подключение к сети Интернет, роуминг. В 1988 году принят популярный в России и Европе стандарт GSM. C 2003-го года вводится GPRS, позволяющий передавать пакеты данных включительно по интернет-транспорту TCP/UDP. Скорость – 270 Кбит/сек. Как наследство эпохи ранней мобильной телефонии и составляющая часть современных протоколов, сети 2G до сих пор имеют самую большую площадь покрытия по всему миру.
3G. Стандарты связи объединены. GSM, GPRS, EDGE эволюционируют в UMTS (WCDMA). Скорость растёт до 2 Мбит/с, делая возможной широкополосную скоростную пакетную передачу данных. Появление технологии HSPA (High Speed Packet Access) повышает скорость передачи до 14 Мбит/с. 3G – самый распространённый сейчас стандарт.
4G. Новые способы уплотнения пакетов данных. Скорость передачи информации движущимся объектам – выше 10 Мбит/сек, стационарным – 1 Гбит/сек. В 2008 году утверждён стандарт LTE (Long Term Evolution). Появляется VoLTE: звонки совершаются в виде передачи пакета данных, это улучшает качество и сокращает время установки соединения.
Наконец, современные сети 5G:
- 100-кратный рост скорости передачи данных,
- 1000-кратный рост трафика на каждого абонента сети,
- 100-кратный рост числа подключённых устройств,
- Уменьшение энергопотребления техническими средствами в 10 раз,
- Уменьшение задержек отклика в 5 раз,
- Снижение стоимости эксплуатации сетей.
Уже сегодня в сетях 5G время отклика занимает несколько микросекунд и для передачи данных преодолён порог в 1 Гбит/сек. В результате абонент получает неограниченные информационные ресурсы как для домашнего, так и для промышленного использования.
5G и 4G — в чём разница
Со стандартом 4G мы уже сжились и вполне оценили его плюсы. Казалось бы, куда уж лучше. Оказывается, есть куда. Даже простое сравнение главных показателей 4G и 5G даст вам вполне красноречивую картину.
Скорость передачи данных
В сетях 5G пиковая скорость в 20 раз выше, чем у 4G. Пример для наглядности: пока на устройстве с четвёртым поколением вы скачиваете один фильм в качестве Full HD, ваш сосед с 5G за это время загрузит с два десятка таких же фильмов. И пусть это идеальная ситуация, но и при неблагоприятных условиях всё будет примерно так же: сотовые сети 5G окажутся гораздо быстрее.
Задержка сигнала
Это такой зверь, которого особенно «ценят» любители многопользовательских игр и потоковых видео. Задержка — промежуток времени между вашими действиями на гаджете и реакцией на них со стороны приложения, в котором вы работаете или играете. Этот параметр имеет заметное влияние на качество онлайн-игр, видео и аудиоконференций, которые ведутся через мобильный интернет.
У 4G задержка сигнала составляет около 40 миллисекунд, и этого достаточно, чтобы промахнуться в подвижной игре, даже точно прицелившись: пока система отреагирует, противник уже поменяет местоположение и вы промажете при, казалось бы, верном ударе. Это, конечно же, раздражает.
У сетей пятого поколения задержка в идеале составляет одну миллисекунду и не превышает пяти — разница с 4G минимум в восемь раз. Это очень много.
Ёмкость сети
С каждым днём растёт количество мобильных устройств, которые мы используем в разных целях. Смартфоны, планшеты, ноутбуки, фитнес-браслеты, игровые консоли — все они работают через мобильные сети. Интернет вещей сулит нынешним 4G-сетям трудные времена: многочисленные датчики, видеокамеры и прочие устройства, которые активно применяются в умных технологиях, также нуждаются в подключении к мобильной сети. 4G c таким нашествием в обозримом будущем не справится, а вот 5G — вполне.
5G позволяет создать до миллиона подключений на каждый квадратный километр, это на порядок выше, чем у предыдущего поколения сетей.
Ёмкости сети 5G достаточно, чтобы обеспечить связью все наши умные лифты, светофоры, автомобили, медоборудование и т. д. Домашняя сеть 5G избавит вас наконец-то от подвисаний и торможений личных гаджетов и другой техники: ПК, мобильных телефонов, видеокамер, умных холодильников и т. д. — подключайте их хоть все сразу и наслаждайтесь бесперебойной работой.
Энергоэффективность
Сети 5G смогут работать с маломощными устройствами интернета вещей. Множество микродатчиков и сенсоров будут служить автономно месяцами без смены или подзарядки батареи питания
Это важно, так как обеспечить миллионы IoT-устройств доступом к электросети было бы крайне сложной инженерной задачей, часто вовсе не решаемой: она бы свела на нет все плюсы от возникновения интернета вещей
Степень мобильности
Современный человек на месте не сидит и значительную часть своей жизни проводит в движущемся транспорте — и в эти моменты ему тоже хочется выйти в интернет. Особенно когда предстоит провести несколько часов в поезде. Если это пассажирский состав — ещё ладно, но уже для скоростей «Сапсанов» и «Ласточек» современный стандарт 4G не очень хорош. И снова 5G в приоритете — эта связь может нормально работать даже в японских экспрессах, летящих со скоростью 500 км/ч.
Новому поколению сетей не страшно постоянное повышение нашей с вами собственной мобильности, они обеспечат передачу данных без потери качества.
Чем отличаются различные поколения связи?
Первое поколение — это мобильная связь, то есть вы не привязаны проводом к розетке. Это не были массовые системы, но тем не менее первый шаг был сделан — появился радиотелефон.
Основное отличие второго поколения от первого — это то, что голос стал значительно лучше и надежнее. Вы стали чисто слышать собеседника, значительно лучше, чем в обычных проводных телефонных сетях.
Третье поколение — это передача данных, которая добавилась к голосу. Потому что во втором поколении были эсэмэски те самые, короткие сообщения, немножечко была GPRS-передача данных, но очень слабая, то есть, можно сказать, ее не было. Но в третьем поколении появилась передача данных с нормальной скоростью.
А вот четвертое поколение — это уже полностью система, построенная на протоколе IP. Телефон стал смартфоном. Его основной функцией стала передача не голоса, а данных и их отображение на экране. Так появилась характерная поза у человека: он уткнулся в экран, начал на нем залипать. Именно потому, что смартфон научил его принимать информацию в графическом виде, а не в звуковом. Мессенджеры вышли на первый план, люди стали чатиться, то есть писать текст, а не говорить по телефону, как это было в предыдущих поколениях.
И следующий переход был очень простой. Люди сказали: «О’кей, хорошо. Человек удовлетворен полностью. Он и читать может, и фильмы смотреть может, и звонить может, и все что угодно. Кого же мы до сих пор не привлекли в это прекрасное сообщество?» А не привлекли мы кого?
Вещи. То есть появился так называемый интернет вещей. Разница с обычным интернетом в том, что в обычном интернете источником информации и получателем этой информации является человек. То есть человек создает фильмы, человек их смотрит, человек говорит и человек слушает. А в случае интернета вещей обмениваются информацией устройства — и сенсоры, и датчики, и т. д. Без участия человека. То есть появляются автоматизированные системы, которые используют ту же сеть, но уже никак не завязываясь на человека, совершенно параллельно ему. И вот именно эти новые вещи для поддержки всех сервисов интернета вещей прежде всего привнесли в новое поколение — в 5G.
Формирование диаграммы направленности
Формирование луча – это система сигнализации базовых станций сотовой связи, которая определяет наиболее эффективный маршрут доставки данных конкретному пользователю и снижает помехи для соседних пользователей в этом процессе. В зависимости от ситуации и технологии, для сетей 5G есть несколько способов ее реализации.
Beamforming может помочь massive MIMO более эффективно использовать спектр. Основная задача для massive MIMO – уменьшить помехи, передавая больше информации от многих антенн одновременно. На массивных базовых станциях MIMO алгоритмы обработки сигналов прокладывают оптимальный маршрут передачи по воздуху каждому пользователю. Затем они могут отправлять отдельные пакеты данных во многих различных направлениях, отражая их от зданий и других объектов в точно согласованном порядке. Хореографируя движения пакетов и время прибытия, формирование луча позволяет многим пользователям и антеннам в массиве MIMO обмениваться гораздо большим количеством информации одновременно.
Для миллиметровых волн формирование луча используется для решения другого набора проблем: сотовые сигналы легко блокируются объектами и имеют тенденцию ослабевать на больших расстояниях. В этом случае формирование луча может помочь, фокусируя сигнал в концентрированном луче, который отправляется только в направлении пользователя, а не вещает во многих направлениях одновременно. Такой подход может повысить шансы получения сигнала в целости и уменьшить помехи для всех остальных.
Помимо повышения скорости передачи данных за счет широковещательной передачи на миллиметровых волнах и повышения эффективности использования спектра с помощью мощного MIMO, инженеры беспроводной связи также пытаются добиться высокой пропускной способности и низкой задержки, требуемых для 5G, с помощью технологии, называемой полным дуплексом, которая изменяет способ доставки и приема данных антеннами.
Как будет выглядеть жизнь в цифровом будущем
Цифровые технологии изменят многие сферы жизни в будущем. К примеру:
Безопасность
Датчики, отслеживающие состояние объектов в реальном времени, предугадывают опасные ситуации и предотвращают их. Так, линии электропередач могут автоматически отключаться при возможном падении на землю, при пожарах или других стихийных бедствиях.
С каждым годом мы собираем и анализируем все больше информации: учимся предсказывать землетрясения, цунами, ураганы, другие события, которые угрожают жизни людей. Чем больше данных мы имеем, тем больше катастроф можем избежать.
Автомобили
Автомобили будущего будут «общаться» друг с другом, с инфраструктурой вне дорог и с пешеходами. Машины смогут «увидеть» проезжающий по переезду поезд, переходящих дорогу школьников, аварию на перекрестке и оперативно отреагировать на дорожную ситуацию.
Беспилотные авто и автомобили с автопилотом смогут «предупреждать» пешехода о своем приближении, например, уведомлениями на очки дополненной реальности. Пользоваться транспортом будет удобнее и безопаснее.
Медицина
Основное направление цифровизации в медицине — удаленная работа с пациентами.
Врачи (или самообучающийся искусственный интеллект) смогут наблюдать за жизненными показателями пациента из любой точки мира, которые в реальном времени будут передавать носимые устройства с сенсорами.
Чтобы получить точный диагноз и узнать о своем состоянии, не нужно будет идти в местную поликлинику и сидеть в очередях — вы можете выбрать любого врача онлайн и проконсультироваться. Это будет особенно актуально жителям пригородов и сельской местности.
Онлайн-консультации «прозрачнее» тех, которые происходят за закрытыми дверьми: всегда можно проверить необходимость назначенных препаратов и исключить врачебную ошибку.
С развитием технологий врачи смогут проводить операции удаленно с помощью роботов, AR и VR-технологий. Телемедицина и ее применение, по прогнозам ученых, вырастет на 16,5% к 2023 году.
Быт
Ваш холодильник сам составит список недостающих продуктов, узнает наличие на ближайшей продуктовой базе и закажет необходимое.
Документооборот перенесется в онлайн: вам не нужно будет ездить в государственные и муниципальные органы, ждать своей очереди, а чат-боты смогут дать ответ на вопрос без ожидания в пятнадцать минут.
Образование
Чем быстрее и доступнее будет Интернет, тем больше студентов смогут участвовать в онлайн-программах и получить образование уровня лучших университетов мира.
С помощью виртуальной и дополненной реальности можно будет буквально провести экскурсию по телу человека или космосу — больше не нужно будет рассматривать примитивные картинки в учебниках.
В будущем появятся роботы для детей с особыми нуждами: они будут помогать, реагировать на их запросы и ассистировать учителям.
Сферы применения новой экономики
Как работает 5G
Технология 5G — это инновационный стандарт мобильной сотовой связи пятого поколения. Она предназначена для обеспечения высоких скоростей передачи данных с низкой задержкой и минимальным энергопотреблением. Интернет 5G 2023 отличается более высокой пропускной способностью и поддержкой большого количества подключений на одну вышку.
Технология связи 5G должна поддерживать 1 миллион подключенных устройств на квадратный километр. Это даст возможность полноценно функционировать технологии интернета вещей (IoT).
Она
предназначена для работы в более широком диапазоне радиочастот, в том числе в
сверхвысоких диапазонах миллиметровых волн. Поскольку это совершенно новая
технология, телефоны прошлого поколения, несовместимы с новыми сетями.
Технология
5G дает возможность делить физическую сеть на несколько виртуальных фрагментов.
Операторы смогут предоставлять фрагмент сети определенной мощности в
зависимости от нужд конкретного абонента, что значительно улучшит эффективность
управления. Таким образом, бюджетные устройства могут быть отделены от более
сложных и требовательных приложений, таких как управление автономными
транспортными средствами.
Энергоэффективность и приемлемый диапазон охвата достигается благодаря использованию технологии Beamforming, подразумевающей динамическое формирование радиолуча. Это стало возможным благодаря умению базовой станции определять местоположение каждого мобильного гаджета и конструировать оптимальную траекторию сигнала.
Стационарная
и мобильная сеть
Требование к точному определению локации приводит к различиям между стационарным и мобильным вариантом использования сети. В первом случае мы используем мобильный интернет 5G 2023 в качестве альтернативы проводному интернету.
В некоторых
странах, операторы продают услуги домашнего интернета на основе своих сетей 5G
среднего и высокого диапазона. Домашние абоненты обычно используют сотни
гигабайт в месяц, что превышает возможности 4G. Сети пятого поколения обладают
достаточной пропускной способностью, чтобы удовлетворить этот спрос. Операторам
связи проще развернуть домашний интернет 5G, чем проводить оптоволоконные линии
от дома к дому. Вместо того чтобы перекапывать каждую улицу, операторам просто
нужно устанавливать оптоволоконную оптику на сотовом узле каждые несколько
кварталов, а затем предоставлять клиентам беспроводные модемы.
Но домашний
интернет не является чем-то новым. По-настоящему новые приложения ждут широкого
охвата 5G, который будет заметно быстрее, чем 4G. Тогда сети пятого поколения
можно использовать во многих отраслях.
Нам действительно нужно 5G?
Каждый раз люди говорили: «Вот зачем оно нужно? Вот есть же телефон без проводов. Ну куда вам цифровой звук? Зачем? Кому он нужен?» Потом появился 3G. Я прекрасно помню, как наши чиновники говорили: «Наш народ пока не готов к 3G, зачем?» И тогда тоже не было четко сказано, а какие же все-таки сервисы будут. Когда внедряли 3G и 4G, особенно 3G, первым человеком, на мой взгляд, который понял, зачем это надо, и показал это миру, был Стив Джобс.
То, что сотовые сети всегда бегут немножко впереди сервисов, — это нормально. Потому что сотовая сеть — это инфраструктура. Как у нас теперь модно говорить: «Критическая информационная инфраструктура».
Это такие шоссейные дороги для будущих сервисов. Да, понятно, что скоростные дороги строятся раньше, чем появляются, скажем так, сверхскоростные автомобили, способные их использовать. Потом появляется какая-то инфраструктура для этих дорог типа знаков, разметки, не знаю, светофоров и прочего, потом появляются придорожные кафе, потом появляются бензоколонки — ну, в любом порядке. То есть имеется в виду, что сама по себе дорога сделана надолго.
Как сети пятого поколения изменят наше будущее?
Интернет вещей
Объективно можно сказать, что сети пятого поколения в обычной жизни будут почти не нужны. Максимальные скорости будут составлять до 5 Гб/сек. Конечно, пользователь не получит такую скорость в своем смартфоне, так как придется делить ее со всеми, но именно это первая причина потребности в таких скоростях. Пока нам хватает того, что есть, но примерно десятикратное ускорение увеличит емкость сети и позволит в перспективе забыть о критической просадке скорости в пиковое время.
Особенно актуально это будет даже не для пользователей со смартфонами и планшетами, а для гаджетов из категории Интернета вещей. Когда у каждого владельца смартфонов появится в среднем по 5-6 устройств, среди которых будет умная колонка, датчики умного дома, бытовая техника и все это будет подключено к сети, вот тогда и проявится необходимость увеличения скорости.
Кроме этого, сети пятого поколения дают возможность подключить до миллиона устройств на один квадратный километр. Это очень много и позволит вывести в сеть чуть ли не каждый пылесос.
Беспилотные автомобили будущего
Еще одним преимуществом 5G является очень низкая задержка, которая не должна превышать 1 мс
Это хорошо для всего, включая Интернет вещей, но для автоматизированных систем управления на транспорте это не просто важно, а критично. Можно сколько угодно разрабатывать системы общения беспилотных автомобилей между собой, но если это общение будет идти с большой задержкой, такой транспорт будет неприемлем
Если 5G будет работать по всему миру, вот тогда заживем.
Многие системы уже разработаны и появления сетей, позволяющих реализовать эту работу, существенно ускорит появление действительно автономного транспорта. Конечно, это не случится через год, два и даже три, но уже сейчас это способно подключить автомобили в сеть и дать им возможность моментально получать важные уведомления или обмениваться другой информацией. Даже если это будет всего лишь потоковая музыка в Hi-Res качестве, плохо ли это?
Облачные игры
Играть на смартфоне или компьютере можно. Можно даже играть по сети и современные сети обеспечивают уровень задержки, позволяющий довольно комфортно рубиться в сетевые шутеры.
Если сократить задержки и увеличить скорость еще больше, можно обеспечить работу игр на удаленном сервере. То есть реализовать то, что называется облачным геймингом. Это будет действительно серьезный шаг в развитии игровой индустрии.
Удаленное присутствие
Минимальные задержки сигнала и широкое присутствие в перспективе позволят создать средства первой помощи, когда специалист будет удаленно проводить операцию или консультировать того, кто оказывает помощь нуждающемуся в ней человеку. Человек в этот момент может быть подключен к аппарату, транслирующему его состояние удаленному специалисту.
Звучит немного фантастично, но подобные эксперименты уже проводились и доктора делали операции, находясь в сотнях или даже тысячах километров от операционной. Учитывая возможности современных роботов, вроде DaVinci, это не так сложно с технической точки зрения. Была бы связь.
Другие способы применения 5G
Можно привести множество других примеров того, как сверхскоростные сети с минимальными задержками изменят наш мир. Все они будут разной степени реалистичности, но одно известно точно — скоростной интернет повсюду точно изменит наше отношение к этому миру и к использованию его возможностей. Даже просмотр видео в высоком разрешении в любой точке города, да еще и без задержек, станет нормой. Круто же!
Скоро мы будем смотреть на смартфоны без 5G, как на … Ну вы поняли.
На этот раз ”очередное” ускорение действительно будет прорывом. Раньше сеть просто догоняла потребности пользователей Интернет, давая им большую скорость для серфинга и скачивания. Теперь скорости уже хватает, а сеть развивается в сторону перспектив, а не сокращения отставания. Посмотрим, что будет дальше. А ведь потом будет и шестое поколение, которое по прогнозам подоспеет к 2030 году. Аж дух захватывает, что нас там ждет. А может наоборот, сбудутся мрачные прогнозы создателей антиутопий. Время покажет. По крайней мере, теперь творцы технологий не смогут сослаться на то, что у них нет нормальных сетей. Пусть работают!