Технологии 5g. Какие главные изюминки нас ждут? G - очередной телекоммуникационный прорыв

На заре быстрого и стремительного развития сферы телекоммуникаций уже сложно представить жизнь без мобильных систем. Не так давно в 2012 году на конференции в Женеве были представлены технологии LTE Advanced (LTE-A) и WiMAX 2 (WMAN-Advanced, IEEE 802.16m), которые были признаны технологиями четвертого поколения или как уже привыкли их называть - технологии четвертого поколения 4G. Было заявлено, что данные технологии позволяют осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с — подвижным абонентам и 1 Гбит/с — стационарным. И не успели операторы перевести дух, как уже в 2015 году появляются сообщения о разработке сетей следующего поколения 5G. Так что же такое 5G и настолько ли нам необходимы эти технологии?

На данный момент нет четкого стандарта для сетей пятого поколения, однако, телекоммуникационные компании, среди которых такие как: Huawei, Ericsson, Nokia, уже сейчас предлагают концепцию будущих 5G сетей. Предполагается, что 5G станет последним и обобщенным стандартом для беспроводных технологий.

Возвращаясь к разговору о сетях четвёртого поколения (4G) стоит сказать, что их ключевой особенностью для привлечения абонентов стала высокая скорость. Но, как показала практика, скорость не является ключевым фактором. Не стоит также забывать о таких параметрах как ёмкость сети, задержки при передаче пакетов и прочих факторов. И так как в сетях 5G планируется работа колоссального количества устройств, начиная от кофемашин, холодильников и заканчивая автомобилями, то необходимо серьезное улучшение основных параметров беспроводных сетей, а именно увеличение скорости передачи данных к множеству абонентов, увеличение ёмкости сетей и уменьшение задержек.

Добиться этого планируется следующим образом:

1. Увеличение пропускной способности сети более 10 Гбит/сек.;
2. Количество одновременных подключений до 100 миллионов устройств на 1 квадратный километр;
3. Обеспечение уменьшения задержки в сети до 1 мс;
4. Выделение каждому сервису определённой ёмкости ресурса.

Виртуализация в 5G-сетях

Одной из основных технологий в сетях пятого поколения станет "Интернет вещей". Интернет вещей - это не просто множество различных приборов и датчиков, объединенных между собой проводными и беспроводными каналами связи и подключенных к сети Интернет, это более тесная интеграция реального и виртуального миров, в которых общение производится между людьми и устройствами. Для реализации этого будут применяться такие технологии как беспроводные сенсорные сети и RFID (метод автоматической идентификации объектов). Таким образом, внедрение "Интернет вещей" в сети пятого поколения 5G позволит не только взаимодействовать в единой сети кругу бытовых гаджетов и устройств (смарт-часы, устройства VR, планшеты и смартфоны), но и позволит охватить все сферы деятельности человека (технология умный дом и умный город).

Рисунок 1 - Охват технологии 5G в жизни человека

Стоит также отметить, что технология 5G планирует стать по-настоящему конвергентной технологией. Конвергенция подразумевает под собой группировку отдельных компонентов сети, в единый оптимизированный вычислительный комплекс. Организация этого комплекса планируется с помощью виртуализации оборудования. То есть операторы за счёт набора серверов и DATA-центров будут организовывать виртуальное оборудование для обработки и хранения данных, в то время как физическое оборудование будет использоваться лишь для передачи пользовательского трафика. Таким образом будет уменьшение количества оборудования для одной базовой станции, а если учесть что всё это будет являться неким облаком, то оператор будет иметь доступ в любую точку сети для динамической настройки того или иного сегмента сети.

В основу всего этого будет положена технология SDN - сеть передачи данных, в которой уровень управления сетью отделен от устройств передачи данных и реализуется программно, и NVF - это концепция сетевой архитектуры, предлагающая использовать технологии виртуализации целых классов функций сетевых узлов в виде составных элементов, которые могут быть соединены вместе или связаны в цепочку для создания телекоммуникационных услуг (сервисов).

Рисунок 2 - Виртуализация сетей 5G

За счет виртуализации сети появляется возможность организации такой функции как "сети по запросу".

Рисунок 3 - Сети по запросу в 5G

Как известно, под организацию конкретной задачи сети (сеть смартфонов, умный дом и т.д.) существуют уже готовые решения с набором параметров и конкретным оборудованием. Сети 5G за счет виртуализации и технологии сети "по запросу" предлагают заранее организовать серверы и DATA-центры для операторов с учетом всех требований для сети. Этакое коробочное решение для оператора.

Архитектура сетей пятого поколения

Проблему с покрытием и доступностью к сети было решено изменить путем ориентирования на абонентов, то есть радиопокрытие сети будет подстраиваться под нужды абонентов в отличие от сетей прошлого поколения. Планируется применение автоматических фазированных антенных решёток, способных динамически изменять диаграммы направленности антенных систем. Также планируется использование всего доступного частотного диапазона, в частности использование миллиметрового диапазона на коротких расстояниях.

Что касаемо вопроса о сетевой архитектуре 5G, то тут стоит выделить три подсистемы (облака), да - облачные технологии, куда без них в современном мире:

1. Облако доступа (Access) - подразумевается включение как распределенных, так и централизованных технологий и систем доступа. Также планируется обратная совместимость с сетями 4G и 3G;
2. Облако управления (Control) - управление сессиями, мобильностью и качеством услуг;
3. Транспортное облако (Forward) - физическая передача данных в сеть с высокой надежностью, скоростью и балансировкой нагрузки.

Рисунок 4 - Архитектура сети 5G.

Радиоинтерфейс

Что касается радиоинтерфейса 5G, то планируется увеличение спектральной эффективности в 3 раза по сравнению с сетями четвертого поколения (4G). Это способствует тому, что при одной и той же ширине полосы пропускания передается до 3 раз больше данных, то есть около 6 бит/сек на 1 Гц. Новый радиоинтерфейс планируется быть гибким, легко конфигурируемым и обратно совместимым с сетями 4G и 3G.

Рисунок 5 - Концепция нового радиоинтерфейса

Компанией Huawei было предложено следующее решение для нового интерфейса:

Рисунок 6 - Базовые технологии для радиоинтерфейса в 5G по мнению компании Huawei

Как видно из рисунка, предполагается применение следующих технологий:

• SCMA (Sparse Code Multiple Access) - разделение абонентов на базе разреженного кода, при этом нет необходимости в подтверждении о доставке. В этой технологии битовые потоки разных пользователей в одном частотном ресурсе, напрямую преобразуются в кодовое слово при помощи так называемой кодовой книги из определённого набора. Эти коды условно называются квазиортогональными и количество этих кодов довольно большое, и имеет двухмерную структуру. То есть исходный сигнал накладывается на кодовую книгу и уже преобразованный сигнал попадает на радиоинтерфейс. Восстановление сигнала на приемной стороне также производится по кодовой книге.

Рисунок 7 - Алгоритм технологии SCMA

• F-OFDM (Flexibel OFDM) - усовершенствованная технология OFDM позволяющая организовать гибкое разбиение на поднесущие, гибкое изменение длины символов и гибкое изменение циклического префикса. То есть под каждую задачу будет использоваться свой набор параметров.

Рисунок 8 - Сравнение технологии OFDM и F-OFDM

• Polar Code - линейный корректирующий код, основанный на явлении поляризации канала.
• На иллюстрации ниже представлены также дополнительные, но, несомненно, важные технологии для сетей 5G.

Дополнительные технологии в сетях 5G

• Massive MIMO - передача к одному абоненту до 8 потоков данных. В Massive MIMO абонент может работать с большим количеством антенн одновременно, которые будут формировать очень острые диаграммы направленности. Использование пространственного мультиплексирования нескольких лучей позволит увеличить принимаемый уровень сигнала и подавить интерференцию от других пользователей, тем самым увеличить пропускную способность и спектральную эффективность;

Рисунок 9 - Massive MIMO

• Novel Multiple Access - новые технологии доступа, например, SCMA;
• New Full Duplex - позволяет применять одну частоту в разных сотах для разных задач (UpLink и DownLink);

Рисунок 10 - Принцип работы New Full Duplex

• Flexibel Duplex - позволяет организовать гибкую передачу трафика. То есть, например, в UPLink передавать информацию для DownLink;

Рисунок 11 - Принцип работы Flexibel Duplex

• FBMC/UFMC (Filter Bank Multicarrier, Universal Filter Multi-Carrier) - увеличивает спектральную эффективность, улучшает канальную селективность, позволяет использование в "когнитивном радио";
• Adv. Coding and Modulation - применение совокупности технологий модуляций и кодирования, среди которых такие как Non-binary coding, Bit-mapping techniques, Joint coding & modulation;
• Ultra-dense networking - позволяет за счет виртуализации организовать сверхплотные сети, за счёт которых на n-ой площади можно будет обслуживать большое количество абонентов, что в свою очередь позволяет строить сложные иерархии сети. Также данная технология позволяет одновременное взаимодействие сот между собой;

Рисунок 12 - Технология Ultra-dense

• Low latency & high reliability - снижение задержки и повышение надежности;
• M2M/D2D - передача информации напрямую между устройствами (машинами, девайсами) без участия человека. Расширение покрытия за счет устройств абонентов Построение децентрализованной сети;
• High frequency communication - частоты ниже 6 ГГц будут первичными диапазонами для сети 5G. Частоты выше 6ГГц для универсального доступа и магистральной связи. Как видно из рисунка ниже, планируется задействовать частотный диапазон вплоть до 100 ГГц;

Рисунок 13 - Частотный план 5G

• Spectrum sharing - совместное использование спектра на разных уровнях разными технологиями доступа.

Управление сетями в 5G будет осуществляться за счет разрабатываемой TelecommunicationOS. То есть различные отрасли и категории пользователей будут использовать одну операционную платформу для доступа к инфраструктуре сети.

Рисунок 14 - Управление сетями 5G

Экспериментальные данные при тестировании технологии 5G

Те, кто следят за новостями развития беспроводных технологий, наверняка уже слышали о том, что не так давно, в июне 2016 года, МегаФон продемонстрировал передачу данных в 1 Гбит/сек на Петербургском международном экономическом форуме. Преодоление порога в гигабит было долгожданным событием еще со времен выхода стандарта для 4G сетей. Но что же творится на мировом рынке?

Меньше месяца назад, на испытании оборудования 5G сетей в Швеции оператор связи Telia совместно с компанией Ericsson продемонстрировали передачу данных на скорости в 15 Гбит/сек на одного пользователя. Время отклика составляло менее 3 мс. Эти показатели более чем в сорок раз выше показателей функционирующей 4G сети. К слову сказать, для сетей пятого поколения разработанной дорожной картой предусмотрены пиковые скорости передачи данных в 20 Гбит/сек. По заявлению руководства оператора Telia, запуск коммерческих 5G сетей планируется уже в 2018 году в Стокгольме и столице Эстонии — Таллине.

Но неизменным лидером на рынке беспроводного оборудования по-прежнему остается компания Huawei. Почти все значимые рекорды в скорости мобильного интернета принадлежат ей и уже несколько лет подряд специалисты Huawei не отдают никому пальму первенства. В июле этого (2016) года на официальном сайте компании появилась информация о том, что совместно с Vodafone им удалось разогнать скорость в сети до 20 Гбит/сек в E-диапазоне. И что самое удивительное, компания Huawei объявила, что к 2018 году в России будет завершено строительство 5G сетей. Естественно сеть будет обслуживать города, в которых пройдет чемпионат мира по футболу. Скорее всего, демонстрация гигабитных скоростей в июне этого года компанией МегаФон является первым шагом на пути к реализации этого проекта.

Несмотря на то, что скорость в 20 Гбит/сек определена Международным союзом электросвязи в качестве базовой, Huawei собирается создать гораздо более скоростные сети, так как на форумах презентуются прототипы базовых станций и приемников, позволяющих поддерживать передачу данных на скорости 115 Гбит/с.

Также гигабитные скорости не являются исключением и для движущихся абонентов, ведь пару месяцев назад Huawei передал 10 Гбит/сек абоненту, движущемуся со скоростью 120 км/ч. Естественно главный успех эксперимента зависит от точности сопровождения абонента диаграммой направленности базовой станции, поддерживающей MIMO и Beamforming.

Заключение

Сейчас довольно сложно говорить о возможностях и сроках реализации коммерческих сетей 5G, при условии, что пока даже не введен стандарт, но производители взялись за сети нового поколения очень резко, и их разработки даже опережают выход стандарта. Если компаниям, участвующим в проекте, удастся добиться поставленных целей, то весь мир сможет получить единую, стабильную, конвергентную и высокодоступную сеть нового поколения, после введения которой уже долгое время не придется создавать и разрабатывать сети нового поколения. Во всяком случае представители Международного союза электросвязи заявляют свои надежды на то, что 5G станет точкой в развитии беспроводных сетей, существенной переделки архитектуры не будет, и нас ждет лишь минорная доработка радиочасти.

Расходы на пропуск всё возрастающего трафика по сетям операторов связи по состоянию на 2019 год не покрывается доходами от традиционных услуг. Поиск новых услуг, т.н. «killer application» традиционных телеком-платформ обычно не даёт ожидаемых результатов.

Между тем, основной рост трафика и доходов происходит не в секторе устройств людей, а в секторе устройств интернета вещей, который является одной из базовых целей функционала 5G.

Стандартизация

Стандартизация технологий и решений 5G должна завершиться к 2021 году, поэтому термином 5G пока обозначаются лишь фрагментарные решения, которые в будущем войдут в состав полномасштабного решения IMT2020. Такие решения уже разворачиваются в разных странах, однако они пока носят локальный и тестовый характер, и не предоставляют весь планируемый функционал сетей стандарта IMT2020.

Основные стандартизирующие организации 5G

По состоянию на 2019 год:

3GPP (3rd Generation Partnership Project) - альянс из семи организаций, разрабатывающих различные стандарты телекоммуникаций, в которые, в свою очередь входят другие партнёры. Задача 3GPP – формулировка технических требований, оценка предложений, и окончательное принятие стандартов. В середине 2017 года был принята версия общего стандарта Release 15, в настоящее время разрабатывается Release 16, которая будет принята в 2019 г. Кроме разработки общей архитектуры, 3GPP также разрабатывает стандарты радио-технологий 5G New Radio (NR) для новых частотных диапазонов, выделяемых под 5G.

ETSI (European Telecommunication Standard Institute), Европейский институт телекоммуникационных стандартов, который является членом 3GPP, и наиболее активно работает в области разработки стандартов 5G.

Кроме указанных, существуют отраслевые и региональные организации, такие как 5G Americas, Small Cell Forum, которые также вносят большой вклад в разработку и стандартизацию решений 5G.

Большой вклад в разработку стандартов вносят также и крупные операторы связи, такие как AT&T, Verizon и др. Они координируют свою работу с ETSI и ITU , но иногда опережают эти организации. Поэтому решения этих операторов часто ложатся в основу стандартов ETSI и ITU.

Цель создания и назначение сетей 5G

Сети мобильной связи предыдущих поколений имели следующие назначения и функционал:

• 1G: Услуги передачи речи по аналоговой сети
• 2G: Услуги передачи речи по цифровой сети, низкоскоростные услуги передачи данных (GPRS, EDGE)
• 3G: Высокоскоростные услуги передачи данных (HSPA), с возможностью передачи голоса по сети IP, мобильный доступ к интернет MBB (Mobile Broadband).
• : Мобильный широкополосный доступ MBB на базе LTE, LTE-A, передача голоса (VoLTE)

Сети 5G значительно расширяют ограниченный функционал мобильных сетей предыдущих поколений. Основными функциональными особенностями сетей 5G являются следующие:

• Усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB (enhanced MBB)
• Сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой ULLRC (Ultra Low Latency Reliable Communication)
• Массивные межмашинные коммуникации Massive IoT /IIoT , мMTC (massive Machine Type Communication)

На основе этих трёх генерализованных видов функционала строится всё многообразие услуг и возможностей сетей IMT2020 (5G), наиболее характерные из которых показные на рисунке ниже:

Гигабайты в секунду. Сети 5G способны значительно повысить скорость передачи данных через различные технологии радиодоступа (RAT), и при помощи задействования новых спектров радиочастот 5G NR (New Radio). Пользователь получает практически неограниченную полосу пропускания, как для домашнего использования различных сервисов, так и для целей предприятий (Immersive Telepresence, Industrial IoT и пр.)

Умный дом. Целый спектр различных сервисов интернета вещей (IoT) будет доступен для решения «Умный дом» (Smart Home) и «Умное здание» (Smart Building): видеонаблюдение, управление и автоматизация бытовой техники, управление системами безопасности, хранилища контента, климатика и пр.

Новые видеоуслуги 4К/8К : Объёмное видео, экран сверхвысокой чёткости (UHD), возможность эффекта присутствия.

Работа в облаке. Сервис даёт возможность не только хранить данные в облачном хранилище и извлекать их оттуда, но и использовать прикладные программы, которые работают непосредственно из облака. Причем, с возможностью их использования на любом устройстве и из любого местоположения. Кроме того, имеется возможность использования интерфейсов прикладного программирования API , через которые облачные сервис-провайдеры могут предоставлять свои услуги абонентам оператора сети 5G.

В пример сервисов, для которых будет иметь преимущество 5G, можно привести и городские системы видеонаблюдения . 5G поможет упростить их развертывание и использование. Сейчас трафик с тысяч камер в городах, в основном, передается по фиксированным сетям. Развернуть такую инфраструктуру – непростая задача, поскольку требуется уложить множество проводов. С помощью 5G можно будет получать терабайты видео высокого разрешения без использования проводов.

Еще один пример - сервис мониторинга транспорта в компаниях. Санджив Атали из Qualcomm полагает, что с появлением сетей нового поколения операторы, выступающие провайдерами такого сервиса, смогу снизить его стоимость. Это станет возможным за счет того, что стоимость одной базовой станции 5G будет ниже стоимости станций для существующих сетей, а также за счет того, что одна базовая станция сможет одновременно обслуживать большее количество устройств, соответственно, для сервиса потребуется меньше базовых станций.

Практические преимущества 5G

Платформа сети 5G предоставляет для операторов значительные преимущества, выражающиеся прежде всего, в расширении функциональных возможностях и характеристик сети (performance) и повышении удовлетворённости пользователей (User Experience). На рисунке ниже показаны основные параметры сети IMT2020 (5G), по сравнению с показателями IMT-Advanced (4G), которые позволяют этого достичь.

Пиковая скорость: сеть 5G обеспечивает в 20 раз бòльшую скорость по сравнению с 4G, то есть, около 20 Гбит/с.

Скорость на пользователя (средняя) при этом может достигать 100 Мбит/с и более.

Эффективность использования спектра , количество информации, которую можно передать на единицу частотного диапазона, в сети 5G будет по крайней мере в 3 раза выше, чем в 4G.

Мобильность пользователя , скорость, с которой может перемещаться пользователь с терминалом 5G по площади покрытия сети без потери хендовера между базовыми станциями, в сети 5G достигает 500 км/час, что даёт возможность пользоваться услугами 5G в скоростных поездах.

Задержка в сети 5G снижается до 1 мс и менее, в то время как в сети 4G можно достичь минимум 10-миллисекундной задержки. Это позволяет использовать технологию 5G для критичных коммуникаций и видеонаблюдения , услуг тактильного интернета, AR/VR и пр.

Плотность терминалов в сети 5G повышается на порядок и может достигать нескольких миллионов устройств на 1 кв. км, то есть, на 1 квадратном метре поверхности могут располагаться несколько десятков или даже сотен миниатюрных устройств (например, сенсоров IoT).

Энергоэффективность сети 5G на порядок лучше, чем в сети предыдущего поколения.

Ёмкость трафика на единицу площади, то есть скорость передачи данных квадратный метр площади покрытия сети, в 5G на два порядка выше, чем в сети 4G.

На рисунке ниже показаны соотношения по степени важности для основного функционала 5G (усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB, сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой, массивные межмашинные коммуникации) параметров сети 5G, показанных на предыдущем рисунке.

Частоты

По состоянию на 2019 год 5G предполагается использовать в различных спектрах радиочастот. Однако, в диапазоне до 6 ГГц, в том числе выделенного под Wi-Fi диапазона 5 ГГц, пока существуют серьёзные проблемы с наличием свободных частот. Выделение частот для 5G в спектре до 6 ГГц уже согласовано на Всемирной конференции радиосвязи ВКР (WRC-15, World radiocommunication conference) в 2015 году. Диапазоны более высоких частот будут распределяться на ВКР-19 в 2019 году .

Применение низкочастотных участков спектра для сетей 5G позволяет достичь оптимального покрытия сети без массивных инвестиций в развитие сетевой инфраструктуры.

Низкие частоты обеспечивают хорошее проникновение радиоволн в помещения, что очень важно для IoT. В особенности, важен диапазон 700 МГц, предназначенный для систем связи М2М, «умного города» и «умных домов ». Для особо надёжного подключения таких объектов, как, например, самоуправляемые автомобили, роботы , промышленная автоматизация, могут использоваться диапазоны 3,4-3,8 ГГц. Предполагается, что в эпоху 5G операторам будут выделяться сплошные частотные полосы по 300-400 МГц.

Высокочастотный спектр необходим сетям 5G для достижения скорости передачи данных до 20 Гбит/с, в частности, для предоставления услуг 3D-видео в формате UHD, AR/VR, облачные сервисы для работы и игр, голографическая связь, тактильный интернет и пр. В частности, для этого рассматривается возможность использования диапазонов 24,25-27,5 ГГц и 37-43,5 ГГц.

Выделение новых частот для 5G в России (источник: НИИР, Союз ЛТЕ-операторов)

Технологии 5G New Radio (5G NR)

Для того, чтобы удовлетворить всё возрастающие требования к мобильной связи, для 5G были разработаны технологии, объединённые под общим названием «новое радио 5G», 5G New Radio (5G NR) . По сравнению с радио-интерфейсом в сетях 4G, 5G NR имеет несколько важных преимуществ.

Разработка 5G NR велась практически «с ноля», с учётом требований к сетям 5G и с применением лучших технологий, которые будут доступны к моменту полномасштабного развёртывания сетей 5G. Таким образом, в 5G NR используются новейшие технологии модуляции, образования форм волн (waveforms) и технологий радиодоступа RAT (Radio Access Technology), которые, в т.ч., будут обеспечивать высокую скорость передачи данных и удлинение срока службы батарей пользовательских устройств 5G.

Основные требования стандарта 3GPP. Источник: ITU, Nokia , Qualcomm

Предварительные требования к технологии 5G NR появились в стандарте 3GPP Release 15, утверждённом в декабре 2017, и ожидается, что окончательный вариант будет утверждён в декабре 2019 г.

Основные отличительные особенности радио-технологии 5G NR – следующие:

Добавление новых диапазонов радио-спектра , согласно требованиям к скорости передачи сигналов, числа устройств, роста трафика многочисленных приложений 5G. Новые диапазоны 5G NR лежат в пределах от 2,5 до 40 ГГц. Ведутся обсуждения об использовании спектра до 100 ГГц.

Оптимизированная технология OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Эта технология уже была успешно применена в 4G/LTE-A, а также в последних версиях Wi-Fi .

Формирование лучей (Beamforming) . Это технология, которая лишь в последние годы перешла от концепции к реализации, и которая способна реализовать многие преимущества 5G. Beamforming даёт возможность направлять луч радиоволн от базовой станции на определённые устройства, как движущиеся, так и неподвижные, без влияния на другие лучи, направленные на те же устройства.

MIMO (Multiple Input Multiple Output) . MIMO – Метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, который уже применялся в Wi-Fi и 4G, в 5G был значительно усовершенствован, в частности, в многопользовательском режиме MU-MIMO (Multi-User- MIMO) в базовых станциях 5G gNnodeB (gNB), антенны которых состоят из матрицы излучающих элементов. Это даёт возможность усиливать уровень сигнала для конкретного пользователя, в то же время минимизируя влияние данного сигнала на других пользователей.

Технологии совместного использования спектра (Spectrum sharing) . Многие спектры радиочастот, соответствующим образом распределённые, часто не используются эффективно. Для решения этой задачи были разработаны технологии Spectrum sharing.

Унифицированное межчастотное взаимодействие (Unified design across frequencies) . Поскольку в 5G NR добавлено множество новых частотных диапазонов, важно обеспечить интерфейс взаимодействия при переходе канала с одной частоты на другую при хендовере между базовыми станциями.

Маленькие соты (Small cells) . Уплотнение сетевого покрытия ведёт к тому, что число базовых станций должно увеличиваться. Поэтому было предложено решение Small Cells – решение недорогих, простых в установке и обслуживании базовых станций небольшой мощности. Их можно развешивать на мачтах уличного освещения, на стенах домов и других объектах. Сеть 5G способна эффективно координировать их работу, перераспределяя нагрузку между антеннами.

Распределённые антенные системы DAS и единая базовая станция, обслуживающая здание целиком

Единую инфраструктуру базовых станций и DAS могут использовать несколько операторов связи одновременно.

Архитектура опорной сети (Core Network) 5G

Особенность архитектуры сети 5G состоит в том, что традиционное понятие «архитектура сети», основанной на аппаратных решениях, в сети 5G теряет актуальность.

Поэтому 5G чаще называют не сетью, а системой, или «платформой», под которой имеется в виду платформа программная, а не аппаратная. Если сети 1/2/3/4G строились на базе аппаратных решений (оборудования), то платформа 5G строится на базе программных решений, в частности, программно-конфигурируемых сетей SDN (Software Defined Network) , а также виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization).

Функции 5G реализуются в виртуальных программных функциях VNF (Virtual Network Function), которые работают в инфраструктуре NFV. Различие между этими похожими по звучанию понятиями состоит в том, что VNF – это функция, а NFV – это технология. В свою очередь, NFV реализуется в физической инфраструктуре дата-центров (data center, DC, центр обработки данных, ЦОД), на базе стандартного коммерческого оборудования COTS (Commercial Off The Shelf). Оборудование COTS включает лишь три вида стандартных, относительно недорогих устройств – сервер (вычислительное устройство), коммутатор (сетевое устройство) и система хранения данных (устройство хранения).

До недавнего времени в мире существовало четыре поколения мобильной связи . В настоящее время операторы при поддержке поставщиков оборудования (вендоров) активно тестируют возможности сетей пятого поколения, коммерческий расцвет которого ожидается к 2020 году. Объяснить это достаточно просто: существует, так называемое, правило десяти лет. Если заглянуть немного в прошлое, можно заметить, что каждое новое поколение мобильной связи появлялось примерно через 10 лет после появления предыдущего: первое поколение появилось в начале 80- годов, второе в начале 90-х, третье в начале 00-х, четвертое в 2009 году. Напрашивается вывод, что коммерческие сети 5G начнут заполнять мир именно в 2020 году.

Стандарт мобильной связи пятого поколения (5G) – это новый этап развития технологий, который призван расширить возможности доступа в Интернет через сети радиодоступа.

Стандартизацию сетей мобильной связи 2, 3, 4 и 5 поколений выполняет партнерский проект для стандартизации систем 3-го поколения (3rd Generation Partnership Project, 3GPP).

В 2017 году организация 3GPP официально сообщила, что 5G станет официальным названием следующего поколения мобильной связи и представила новый официальный логотип стандарта связи.

Задачи, которые призвана решить технология 5G:

• рост мобильного трафика
• увеличение числа устройств, подключаемых к сети
• сокращение задержек для реализации новых услуг
• нехватка частотного спектра

Услуги в сетях 5G

1. Сверхширокополосная мобильная связь (Extreme Mobile Broadband, eMBB) - реализация ультраширокополосной связи с целью передачи «тяжелого» контента;
2. Массовая межмашинная связь (Massive Machine-Type Communications, mMTC) - поддержка Интернета вещей (ультраузкополосная связь);
3. Сверхнадежная межмашинная связь с низкими задержками (Ultra-Reliable Low Latency communication, URLLC) - обеспечение особого класса услуг с очень низкими задержками.

Подробнее услуги в сетях 5G рассмотрены по ссылке .

Очевидно, что в будущем к сети будет подключено гораздо больше устройств, большинство из которых будут работать по принципу «всегда онлайн». При этом очень важным параметром будет являться их низкое энергопотребление.

Требования к сетям 5G

1. Пропускная способность сети до 20 Гбит/сек по линии "вниз" (т.е. к абоненту); и до 10 Гбит/с в обратном направлении.
   
2. Поддержка одновременного подключения до 1 млн. устройств/км 2.
3. Сокращение временной задержки на радиоинтерфейсе до 0,5 мс (для сервисов Сверхнадежной межмашинной связи URLLC) и до 4 мс (для сервисов Сверхширокополосной мобильной связи eMBB).

Другие технические требования к сетям 5G рассмотрены в этой статье .

Потенциальные технологии в стандарте 5G

1) Массивные MIMO

Технология MIMO означает использование нескольких антенн на приемопередатчиках. Технология, успешно применяемая в сетях четвертого поколения, найдет применение и в сетях 5G. При этом если в настоящее время в сетях используется MIMO 2x2 и 4x4, то в будущем число антенн увеличится. Эта технология имеет сразу два весомых аргумента для применения: 1) скорость передачи данных возрастает почти пропорционально количеству антенн, 2) качество сигнала улучшается при приеме сигнала сразу несколькими антеннами за счет разнесенного приема (Receive Diversity ).

2) Переход в сантиметровый и миллиметровый диапазоны

На данный момент сети LTE работают в частотных диапазонах ниже 3,5 ГГц. Для полноценного функционирования сетей мобильной связи стандарта 5G необходимо разворачивать сети в более свободных высокочастотных диапазонах. При повышении частоты, на которой передается информация, уменьшается дальность связи. Это закон физики, обойти его можно лишь повышая мощность передатчика, которая ограниченная санитарными нормами. Однако считается, что базовые станции сетей пятого поколения будут располагаться плотнее, чем сейчас, что вызвано необходимостью создать гораздо бОльшую емкость сети. Преимуществом диапазонов десятков ГГц является наличие большого количества свободного спектра.

Подробнее вопросы выделения частотного спектра в 5G рассмотрены в следующих статьях:

• Частоты для 5G. Преимущества и недостатки использования частот ниже 6ГГц и выше 6ГГц

• Сети 5G: текущее состояние и перспективы развития. Интервью с автором книги «Мобильная связь на пути к 6G» Антоном Степутиным

3) Мультитехнологичность

Для обеспечения высококачественного обслуживания в сетях 5G необходима поддержка как уже существующих стандартов, таких как UMTS , GSM , LTE , так и других, например, Wi-Fi. Базовые станции, работающие по технологии Wi-Fi могут использоваться для разгрузки трафика в особо загруженных местах.

Технология device-to-device позволяет устройствам, находящимся неподалеку друг от друга, обмениваться данными напрямую, без участия сети 5G, через ядро которой будет проходить лишь сигнальный трафик. Преимуществом такой технологии является возможность переноса передачи данных в нелицензируемую часть спектра, что позволит дополнительно разгружать сеть.

5) Новый радиоинтерфейс в сетях 5G и другие инновации читайте в статье Какими будут сети мобильной связи 5G?

Подробнее о технических требованиях к сетям 5G, вариантах радиоинтерфейсов, услугах и других нововведениях в сетях мобильной связи нового поколения читайте в книге " Мобильная связь на пути к 6G ".

Вот уже несколько десятилетий информационные технологии находятся в состоянии стремительного развития. То, что еще вчера казалось немыслимым, сегодня уже воспринимается как привычная обыденность. Новые интернет-сети способны передавать невероятные объемы информации на огромнейшие расстояния за считанные мгновенья.

И это далеко не предел технологического потенциала данной сферы. Уже достаточно скоро гражданам нашей страны станет доступна поистине революционная новинка — интернет 5G. Такая информационная сеть позволит сделать большой шаг вперед во внедрении новых технологий в повседневную жизнь простых людей.

В преддверии главного спортивного события 2018 года на территории четырех городов Российской Федерации в тестовом режиме будет запущена высокоскоростная сеть мобильного интернета по стандартам 5G. Такой новостью поделились представители главных отечественных операторов сотовой связи на пресс-конференции, приуроченной к обсуждению грядущего .

В начале 2018 года начнется развертывание на территории Санкт-Петербурга, Казани, Сочи и Москвы четырех тестовых зон с поддержкой максимальной скорости передачи информационных данных. С началом футбольных событий данные сети должны перейти на полную свою мощность работы.

Что собой представляет технология 5G

Как отмечают специалисты — 5G считается на данный момент самым перспективным стандартом не только на территории России, но и во всем мире. С ее помощью, скорость передачи данных можно «разогнать» вплоть до нескольких гигабайт за секунду, что еще несколько лет назад считалось практически невозможным.

Представители компании «Мегафон» (один из реализаторов проекта) уже провели первые предварительные тесты новой технологии. Эксперимент, проведенный в этом году, показал возможность увеличить скорость передачи данных до 5 ГБит/ с.

Кроме того, переход на подобный стандарт позволяет существенно приумножить число абонентов в сети, улучшить качество связи и даже сократить потери энергии аккумулятора мобильного устройства.

5G сеть являет собой абсолютно новую, многократно усовершенствованную технологию передачи трафика между клиентами оператора связи. С ее помощью можно за считанные секунды скачать на свое мобильное устройство файл, который раньше бы загружался часами.

Но, не смотря на целый ряд преимуществ, общегосударственным достоянием данную технологию можно будет сделать не раньше 2020 года. Спровоцирована такая задержка большой сложностью запуска сети, а также обширностью территории нашей страны которую невозможно охватить в короткие сроки.

Зачем нужны такие скорости

Вопрос по поводу актуальности высоких скоростей передачи интернет данных и практической необходимости таких технологий поднимается достаточно часто. Полностью аналогичная ситуация была при возникновении технологии 4G и первых попыток сделать ее доступной для общественности.

Тогда возможность скачивания информационного продукта из всемирной сети со скоростью достигающей 50 мегабит в секунду казалась невероятной. Сегодня же, для большинства людей такая скорость вполне обыденная и давно не кажется чрезмерно высокой.

Пользователи сети-интернет давно открыли для себя интересную зависимость: чем лучше возможности передачи информации, тем выше качество производимого контента. Посетители сайтов все чаще предпочитают чтению и статичным картинкам видео с высоким разрешением.

Это неудержимый процесс эволюции контента, где высокие скорости передачи данных обретают свою необходимость. Технология 5G сможет полностью удовлетворить потребности пользователей в миграции трафика, кроме того, такая сеть предполагает большие емкости и уникально короткое время отклика.

Какие перспективы технологии 5G в России

На сегодняшний день стандарт связи 5G находится на стадии разработки и начальных экспериментов. Но предполагается, что к началу он уже начнет появляться в самых больших городах нашего государства. Это будут не просто тестовые единичные случаи, а первый этап к систематизации и развитию с дальнейшим распространением по всем населенным пунктам.

Каждый день в инженерных отделах сотовых компаний происходит множество испытаний разнообразных технологических решений, которые можно поместить в основу будущей глобальной сети. Проводятся тесты скоростных возможностей для пятого поколения с блестящими результатами.

Такие тенденции позволяют судить о больших достижениях отечественных информационных технологий и приобретении уникального опыта для начала построения сетевой инфраструктуры.

Внедрение 5G сетей это, прежде всего, большой рост общего объема передаваемой информации через увеличение скоростей передачи и сокращения времени ожиданий откликов. К сожалению, это практически невозможно без существенного улучшения инфраструктуры, которой мобильные операторы пользуются на данный момент времени.

Процесс этот довольно затратный и требует огромных денежных вливаний, но если инвестиционный портфель разбить на значительный период, то ситуация перестает казаться критичной.

Эксперты не сомневаются, что новые горизонты которые откроются для экономики после внедрения 5G быстро окупят все затраты и принесут хорошие дивиденды. Таким образом, мобильный оператор получит дополнительные денежные поступления, пользователи – качественную услугу, а государство сможет выйти на новый уровень своего развития.

AT&T, Verizon Wireless и другие телекоммуникационные компании начнут внедрять 5G сети в текущем году. Но что же такое 5G? В данной статье мы поделимся с вами всем, что нам известно на данный момент.

5G запустят уже в этом году. Ну, или нет. В гонке за 5G (проще говоря – это пятое поколение мобильной связи), телекомпании обещают невозможное, что станет причиной большой путаницы в течение нескольких последующих лет.

Поскольку пока еще не существует ни одного официального определения 5G, все игроки на рынке беспроводных технологий, начиная от производителей наборов микросхем, и заканчивая операторами сотовой связи, изощряются в определении 5G и провозглашают себя лидерами 5G.

5G Что Это Такое? Все о Новом Поколении Связи

Давайте же разберемся в этой путанице. В данной статье мы постараемся объяснить, что же за штука такая – этот 5G.

Поколения связи 1G, 2G, 3G, 4G, 5G

Буква G в термине 5G обозначает поколение беспроводной технологии. Все поколения технически отличаются скоростью передачи данных, а также способами шифрования данных, или «эфирным интерфейсом», который делает технологию несовместимой с предыдущим поколением.

1G – это аналоговая сотовая связь. Технологии 2G, такие, как и CDMA, GSM и TDMA, — это первое поколение цифровых технологий сотовой связи. Такие 3G технологии, как EVDO, HSPA и UMTS обеспечивают скорость передачи данных от 200 килобайт до нескольких мегабит в секунду. 4G технологии WiMAX и LTE стали следующим скачком вперед. Скорость передачи данных связи четвертого поколения достигает сотен мегабит, или даже гигабит в секунду.

Так называемая «5G Эволюция» от компании AT&T – на самом деле не 5G

Компания AT&T недавно анонсировала запуск своей сети «5G Эволюция», которая на самом деле не является настоящей 5G сетью. На самом деле, это коммерческое название гигабитной LTE – самой новой модернизации технологии LTE сети 4G. Большинство операторов Соединенных Штатов собираются активно внедрять LTE в текущем году.

Гигабитная LTE технология совместима с существующими телефонами. Технология использует усовершенствованную версию существующего шифрования LTE, а также большее количество антенн и увеличенную степень агрегации несущих частот, что позволяет с большей скоростью совершать передачу данных.

Однако компания AT&T, вместе с распространением неправдивых слухов о 5G, настаивает на том, что LTE не скоро канет в небытие. По большому счету, 5G будет работать на очень высоких частотах, что требует расположения вышек и антенн в относительной близости друг к другу. Для большей площади покрытия, особенно в сельской местности, 5G будет основываться на 4G.

Технологии 4G так же будут улучшаться со временем. Компания Qualcomm анонсировала выход 4G модема X20, который способен передавать данные со скоростью 1,2 гигабит. Значительным достоинством технологии 5G станет большая мощность и малое время задержки. 5G станет гораздо мощнее и быстрее 4G технологий.

Запуск предварительной 5G сети от компаний AT&T и Verizon

Компании AT&T и Verizon анонсировали запуск домашней системы выхода в интернет на базе технологий 5G. Компании Samsung и Verizon на Всемирном мобильном конгрессе в феврале совместно представили антенны и роутеры, которые будут использовать 5G сервис компании Verizon.

Технологии, использованные в разработке домашней 5G сети, связаны с миллиметровым диапазоном волн беспроводного фиксированного доступа, который используют интернет-провайдеры Starry в Бостоне и Monkeybrains в Сан-Франциско. Однако благодаря AT&T и Verizon эти технологии получат гораздо более широкое распространение. К примеру, компания AT&T заявила о потенциальном использовании 5G в качестве замены устаревших технологий DSL, что позволит компании единолично предоставлять услуги домашнего 5G-интернета, беспроводной и стационарной телефонии, а также телевидения.

Но все это не имеет никакого отношения к 5G, поскольку связь пятого поколения будет запущена только в 2018 году. Но компания Verizon намеревается приблизить свои 5G сервисы к актуальным стандартам, а также использует как можно больше элементов грядущих 5G-систем.

Домашний 5G интернет демонстрирует одно самое главное преимущество над 4G – огромная мощность. Операторы не могут предложить домашний 4G интернет по конкурентной цене за 190Гб месячного потребления трафика для одного дома, поскольку 4G узлы связи не обладают достаточной мощностью. Это может значительно ужесточить конкуренцию провайдеров за домашний интернет жителей США, где, согласно отчету Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций за 2016 год, скорость домашнего интернета 51 процента американцев составляет 25Мб в секунду, или выше.

Для самих провайдеров подключение домашнего 5G интернета станет гораздо более облегченным, чем оптоволоконные линии связи, которые тянутся от дома к дому. Вместо перекапывания каждой улицы, провайдеру останется просто подключить оптоволоконный кабель к узлу связи, а пользователям раздать беспроводные модемы.

Хорошо, что же тогда такое «настоящая 5G связь»?

5G – это инновационная сеть, которая обладает гораздо большей скоростью передачи и мощностью, а также с меньшими временными задержками, чем другие существующие сотовые системы. Достоверные технологии, использованные при разработке 5G, нам еще предстоит узнать, но уже известно множество общепризнанных деталей.

Тип шифрования сетей 5G, который называется OFDM, похож на тип шифрования, использованный в технологиях LTE. Эфирный интерфейс будет характеризоваться меньшими временными задержками и большей гибкостью, чем LTE.

Инновационные сети, преимущественно, будут использовать очень высокие частоты, которые способны передавать огромный массив данных, но всего по несколько блоков одновременно. Технология будет работать в спектре от низких до высоких частот, однако значительное преимущество над 4G будет наиболее очевидным на высоких частотах. 5G так же может передавать данные на нелицензированных частотах, которые сейчас использует Wi-Fi, без конфликта с существующими Wi-Fi-сетями. Такая передача данных схожа с технологией LTE-U, запущенной компанией T-Mobile в текущем году.

5G, скорее всего, будет сетью малых сот, вплоть до размера домашних роутеров, а не размера огромных вышек, которые распространяют сигнал на большие расстояния. В некотором роде, причиной тому является природа задействованных частот, но основной целью остается увеличение мощности самой сети.

Сети 5G должны быть более усовершенствованы, чем предыдущие системы, поскольку они связаны с огромным количеством меньших сот. Даже с учетом существования макро-сот, компания Qualcomm заявляет, что мощность сетей 5G будет превышать мощность остальных сетей в четыре раза благодаря использованию более широкого диапазона частот и улучшенных антенн.

Целью является достижение гораздо большей скорости и большей мощности с меньшими временными задержками, чем в сетях 4G. Задействованные мероприятия по стандартизации своей целью считают достижение скорости 20 гигабит в секунду и задержки 1милисекунды. А это, согласитесь, очень интересно.

Для чего предназначена сеть 5G: для телефонов, машин или домов?

Беспилотные автомобили смогут использовать 5G для быстрого приведения в действие. Первое поколение беспилотных автомобилей будет автономным, но последующие поколения будут взаимодействовать с другими автомобилями и умными дорогами для повышения безопасности и управления автомобильным потоком. Проще говоря, на дороге все участники будут взаимодействовать друг с другом.

Для чего предназначена сеть 5G: для телефонов, машин или домов?

Для того чтобы это стало возможным, связь должна обеспечиваться с минимальными временными задержками. Поскольку машины обмениваться достаточно небольшим объемом информации, необходимо, чтобы передача происходила практически мгновенно. Вот здесь-то на арене и появляется 5G с задержкой в 1 миллисекунду. С помощью данной сети два автомобиля могут быстро обмениваться информацией, а также передавать информацию от одной машины к другой через небольшие соты на световой опоре.

(Примечание : одна световая миллисекунда равняется 186 милям, так что большая часть этой 1 миллисекунды – это время обработки данных)

Еще одной отличительной особенностью 5G является то, что к этой сети может подключаться гораздо больше устройств. На данный момент, 4G модули дорогостоящие, потребляют много энергии и требуют сложных схем обслуживания. По этой причине большинство устройств, требующих подключения к Интернету, продолжают взаимодействовать либо с Wi-Fi и другими домашними технологиями для рядовых пользователей, либо с 2G сетями для бизнеса. К 5G сетям смогут подключаться небольшие, недорогие, неэнергозатратные устройства. Таким образом, сети 5G будут предоставлять доступ к интернету небольшим устройствам и многим другим типам датчиков.

А что насчет телефонов? Самые значительные изменения 5G может привнести в область виртуальной и дополненной реальности. Поскольку телефоны превращаются в устройства, предполагающие использование гарнитуры виртуальной реальности, очень низкие временные затраты и постоянная скорость 5G сможет предоставить вам доступ к миру виртуальной реальности когда и где вы пожелаете. Благодаря своим небольшим сотам, 5G может способствовать распространению покрытия внутри помещений, так как эта технология предполагает, что домашний роутер станет отдельным узлом связи.

Когда стоит ожидать появления 5G?

Предварительный 5G от компаний AT&T и Verizon запустят в этом году, однако, официальный запуск 5G планируется на 2018 год, а широкое распространение – в 2019 году. Изначально график был распланирован на 2019-2020 года, однако провайдеры и производители оборудования разработали ускоренное расписание.

Это связано с презентацией новой линейки 5G модемов от компании Qualcomm. Один из крупнейших производителей микросхем заявляет, что новая мобильная платформа Snapdragon будет поддерживать 5G уже в 2019 году. Микросхемы Snapdragon – самые популярные платформы для смартфонов в США, так что, вероятно, уже в 2019 году мир увидит смартфоны с поддержкой виртуальной реальности и 5G.