Сети стандарта 5G - особенности и перспективы

Необходимость в 5G образовалась из-за стремительного увеличения подключенных к сети устройств. Требования к скорости, времени отклика и надёжности интернет-соединения постоянно растут, и сети 4G с ними уже не справляются. Сеть нового стандарта 5G сети кардинально отличается от предшественников.

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

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.

Сравнение 5G сети и 4G/LTE

Особенности 5G сети кардинально отличают их 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.

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.

Технологии, используемые сетями 5G

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 5G стандарта 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 5G стандарт мобильной связи 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 за 5G стандарт 6G. Он обещает удивить нас скоростью передачи в 1 Тбит/сек, тактильным интернетом и продвинутым искусственным интеллектом с применением квантовых вычислений.