Большинство мобильных сетей в мире сегодня работают в стандарте 4G/LTE. Хотя  его технические характеристики достаточно высоки, уже стартует эксплуатация сетей следующего поколения 5G.

Необходимость перехода на 5G появилась несколько лет назад из-за стремительного увеличения числа подключенных к сети устройств. Кроме того, требования к скорости, времени отклика и надежности интернет-соединения тоже растут, и сети 4G с ними уже не справляются.

Сеть стандарта 5G кардинально отличается от всех функционирующих. Ради того, чтобы достичь заявленных показателей, частота передачи увеличена на порядок. И это требует полной замены передающей аппаратуры, датчиков, мобильных телефонов и смартфонов.

Гаджеты предыдущих моделей принимают сигналы сетей 2-, 3-, 4G-стандартов, но в сеть 5G войти не могут. Уже начат выпуск пилотных серий смартфонов, предназначенных для работы с 5G.

4G/LTE 5G
Диапазон рабочих частот, ГГц 6 30-300
Пиковая потенциальная скорость, Гбит/с 1 20
Практическая скорость для каждого абонента, Мбит/с 10-50 100-200
Скорость передвижения абонента, км/час 350 500
Задержка, мс 10 0,5
Число активных абонентов, #/км² 100 000 1 000 000
Плотность распределения трафика, Мбит/с/м² 0,1 10

Высокие частоты обеспечивают необходимую скорость передачи и объем информации. Но они работают только в пределах прямой видимости и быстро затухают на расстоянии. Им мешают дождь, снег и туман, стены и крыши домов, даже оконные стекла. Избавиться от этих недостатков возможно, только раздробив мобильную сеть на более мелкие ячейки и обеспечив их оптоволоконной связью с удаленными узлами.

Технология разделения радиодиапазона New Radio (NR)

Полоса пропускания рабочих частот разбита на полосы с уплотнением поднесущих частот. Характеристики сигнала меняются в зависимости от передаваемой информации. Сеть сама приспосабливается к рельефу местности, препятствиям, расстоянию до абонентов. Выделенные частоты используются максимально эффективно благодаря уплотнению сигнала.

Технология Massive MIMO

Передающие станции предыдущих поколений сетей распространяют сигнал равномерно во всех направлениях, из-за чего большая часть энергии пропадает впустую.

Антенны стандарта 5G устроены по принципу фазированной решетки, состоящей из множества ячеек. Сигнал на них подается со смещением фазы, что позволяет сфокусировать его в определенном направлении. При этом сама антенна остается неподвижной. Она прямоугольная, вытянута по вертикали. На вышках такие антенны устанавливают блоками, направленными во все стороны света. У абонентских устройств должно быть не менее восьми антенн, рассчитанных на прием разных диапазонов частот.

Благодаря Massive MIMO удается организовать связь вне пределов прямой видимости. Принимающие гаджеты получают сигналы, отраженные от препятствий, специальное программное обеспечение разделяет их и выявляет направление самого сильного эха. Дальнейшая передача с вышки идёт так, чтобы пользователь получал конкретный отраженный сигнал. Процесс непрерывен, что делает возможной связь с объектами, движущимися на высокой скорости.

Большое количество приемно-передающих антенн резко повышает полосу пропускания, то есть объём информации, который удается передать за единицу времени. По сравнению с сетями 4G этот показатель вырастет в 20 раз у 5G. К одной станции смогут одновременно подключаться до одного миллиона устройств.

Технология Network slicing

Так называемая «сетевая нарезка» логически разделяет инфраструктуру в соответствии с потребностями сервиса и способом доступа. Высший приоритет имеют аварийные службы, медицинские организации, метеодатчики. Медиаконтент обслуживается в последнюю очередь. Конечный потребитель развлечений или интернет-сёрфер даже не заметит отставания, потому что оно нивелируется скоростью передачи.

Технология D2D

Основными потребителями трафика в ближайшем будущем станут не люди, а Интернет вещей (IoT). Беспилотный автомобиль, например, напрямую получив сигналы датчиков дорожного полотна и сообщения о наличии пробок, в соответствии с этим сам выберет маршрут движения. Поэтому энергопотребление аппаратуры, предназначенной для автономной работы в сети 5G, будет снижено, как минимум, в 100 раз. Датчики должны быть рассчитаны на непрерывную работу до 10 лет без подзарядки аккумуляторов.

Концепция «умных вещей» расширяется до уровня device-to-device, когда устройства научатся непосредственно обмениваться информацией без участия человека. Производственные линии, дорожное движение, инженерные коммуникации будут координироваться сигналами датчиков, которые обработает компьютерная сеть по алгоритмам анализа больших массивов информации big data. Конечные устройства смогут реагировать на команды без участия человека.

Перспективы внедрения сетей 5G

Переход на новый стандарт мобильной связи 5G потребует существенных инвестиций: подразумевается замена передающей аппаратуры, строительство новых подстанций, внедрение новых алгоритмов обработки сигнала, выпуск гаджетов, способных принять и обработать высокие частоты передачи.

Частью эволюции массовых розничных рынков интернет-потребителей до 5G будет максимальное сокращение "узких мест" для новых сетевых скоростей. Например, прекратится эксплуатация и комплектация механических жестких дисков (HDD) в потребительской электронике и совершится окончательный переход на современные версии флеш-накопителей для скоростных шин передачи данных PCIe 3.0/4.0 (NVMe).

Открывающиеся возможности стоят любых затрат. Опытные коммерческие сети уже введены в эксплуатацию на всех континентах. Лидером их внедрения стал Китай, где в 2020 году планируется открыть доступ к 5G для 13 млн конечных потребителей. В 2019 году китайские альпинисты установили передающую станцию на вершине Эвереста, установив мировой рекорд.

В России задача усложняется еще и тем, что нужные радиочастоты заняты силовыми ведомствами и Роскосмосом. Технические средства придется разрабатывать и производить заново на собственной базе. Но в Москве и нескольких других крупных городах уже тестируются экспериментальные сети 5G.

Сети 5G еще не вышли на этап массового внедрения, но уже обсуждается следующий стандарт 6G. Он обещает удивить нас скоростью передачи в 1 Тбит/сек, тактильным интернетом и продвинутым искусственным интеллектом с применением квантовых вычислений.