I když se v generacích mobilních standardů příliš nevyznáte, každý pravděpodobně odpoví, že 5G je lepší než 4G/LTE. Ve skutečnosti to není tak jednoduché. Pojďme si tedy objasnit, co je na 5G lepší/horší a jaké jsou jeho nejperspektivnější využití s ohledem na aktuální stav.
Co nám tedy technologie 5G slibuje?
- Zvýšení rychlosti desítkykrát až na 10 Gb/s,
- Snížení zpoždění (latence) desítkykrát až na 1 ms,
- Zvýšení spolehlivosti připojení (packet loss error rate) stokrát,
- Zvýšení hustoty (počtu) připojených zařízení (106/km2).
Toho všechno je dosaženo díky:
- vícestupňovosti (paralelismus podle frekvencí a základnových stanic)
- zvýšení nosných rádiových frekvencí z jednotek na desítky GHz (průchodnost rádiového kanálu)
5G zlepší 4G v tradičních oblastech, ať už jde o okamžité stahování filmu, nebo bezproblémovou komunikaci mobilní aplikace s cloudem. Znamená to, že bychom se mohli vzdát připojení Internetu v našich bytech a kancelářích přes kabel?
5G zajistí univerzální spojení všech se vším, spojující širokopásmové, energeticky náročné protokoly s užšími, energeticky úspornými. To otevře nové, pro 4G nedostupné směřování: strojovou komunikaci na zemi a ve vzduchu, Průmysl 4.0, Internet věcí. , že podnikání v oblasti 5G vydělá 3,5 bilionu dolarů do roku 2035 a vytvoří 22 milionů pracovních míst.
Nebo ne?..
(Zdroj obrázku — Reuters)
Jak to funguje
Kdo ví, jak 5G funguje – přeskočte tuto část.
Jak tedy dosáhneme tak rychlého přenosu dat v 5G, jak je popsáno výše? Vždyť to není žádná magie?
Zvýšení rychlosti nastane díky přechodu na vyšší frekvenční pásmo – dříve nevyužité. Například frekvence domácího WiFi je 2,4 nebo 5 GHz, frekvence stávajících mobilních sítí je v rozmezí 2,6 GHz. Ale když mluvíme o 5G, mluvíme o desítkách gigahertz. Je to jednoduché: zvyšujeme frekvenci, zkracujeme vlnovou délku – a rychlost přenosu dat se násobně zvyšuje. A také se celkově uvolní síť.
Tady je názorná komiks, jak to bylo a jak to bude. Bylo:
Bude:
(Zdroj: IEEE Spectrum, )
Frekvence se zvýšila desetinásobně, takže u 5G máme co do činění s mnohem kratšími, milimetrovými vlnami. Tyto vlny špatně procházejí překážkami. S tím se mění i architektura sítě. Pokud dříve byla komunikace zajišťována velkými silnými věžemi, které pokrývaly velké vzdálenosti, nyní bude třeba rozmístit mnohé kompaktní nízkonapěťové věže všude. A mějte na paměti, že ve velkých městech bude potřeba velmi mnoho stanic, kvůli překrývání signálu výškovými budovami. Pro spolehlivé vybavení New Yorku 5G sítěmi je potřeba počet základnových stanic o 500 (!) víc.
Podle Pro ruské operátory bude přechod na 5G stát přibližně 150 miliard rublů – náklady srovnatelné s předchozími výdaji na výstavbu 4G sítě, a to i přesto, že náklady na 5G stanice jsou nižší než u stávajících (ale je jich potřeba hodně).
Dva varianty sítě: stacionární a mobilní
Pro snížení spotřeby energie a zvýšení dosahu se používá technologie beamforming — dynamické formování rádiového paprsku pro konkrétního uživatele. Jak se to dělá? Základnová stanice si pamatuje, odkud a kdy přišel signál (ten pochází nejen z vašeho telefonu, ale i jako odraz od překážek), a pomocí metod triangulace vypočítává vaši přibližnou polohu, a poté staví optimální trajektorii signálu.
Zdroj: Analysys Mason
Nicméně potřeba sledovat polohu přijímače přináší malé rozdíly pro stacionární a mobilní varianty použití, což se odráží v různých případech použití (o tom – o něco později, v části „Spotřebitelský trh“).
Status Quo
Standards
Přijatý standard 5G neexistuje. Technologie je příliš složitá a příliš mnoho hráčů má protichůdné zájmy.
Ve fázi pokročilého návrhu se nachází standard 5G NR (New Radio) od organizace 3GPP (3rd Generation Partnership Project), která vyvinula předchozí standardy, 3G a 4G. 5G využívá dvě rádiová frekvenční pásma (Frequency Range, nebo zkráceně jednoduše FR). FR1 nabízí frekvence pod 6 GHz. FR2 – nad 24 GHz, takzvané milimetrové vlny. Standard podporuje stacionární a pohyblivé přijímače a je dalším rozvojem standardu 5GTF od amerického telekomunikačního giganta Verizon, který podporuje pouze stacionární přijímače (takový typ služeb se nazývá sítě fixačního bezdrátového přístupu).
Standard 5G NR předpokládá tři scénáře využití:
- eMBB (vylepšené mobilní širokopásmové připojení) – definuje nám známý mobilní internet;
- URLLC (Ultra spolehlivé nízké latence komunikace) — vysoké požadavky na rychlost odezvy a spolehlivost – pro úkoly jako autonomní doprava nebo chirurgické operace na dálku;
- mMTC (masivní komunikace typu stroj-stroj) – podpora velkého množství zařízení, která posílají data zřídka – případ Internetu věcí, tedy měřiče a monitorovací zařízení.
Nebo stručně, to samé na obrázku:
Je důležité chápat, že se průmysl nejprve zaměří na zavedení eMBB, jako na srozumitelnější scénář s existujícími peněžními toky.
Zavedení
Od roku 2018 probíhá rozsáhlé testování, například na zimních olympijských hrách v Jižní Koreji. V roce 2018 všechny ruské operátory „velké čtyřky“ provedly testy. MTS testovala novou technologii — testovaly se scénáře využití videohovorů, přenosu videa ve vysokém rozlišení a online her.
V Jižní Koreji, poprvé na světě, byl 5G service nabízen na konci roku 2018. Celosvětové komerční zavedení se očekává v následujícím, 2020. roce. V počáteční fázi bude využíván rozsah FR1 jako nadstavba k existujícím 4G sítím. Podle plánů Ministerstva komunikací začne 5G v Rusku pronikat do měst s miliony obyvatel od roku 2020. V praxi bude rozsáhlé nasazení určováno možností monetizace, a ten aspekt 5G zatím není jasný.
Jaký je tedy problém s monetizací? Věc je taková, že telekomunikační operátoři zatím nevidí vážné důvody pro modernizaci: stávající sítě se zátěží omezují. A nyní je 5G považováno spíše za marketing: ikona 5G na obrazovce telefonu bude jednoznačně plus ve očích abonentů telekomunikačního operátora. Příhodný je anekdotický případ s , který umístil ikonu 5G při absenci skutečné sítě, za což mu konkurenti podali žalobu za podvod.
Pokud se na to podíváte pozorně, zjistíte, že ikona ve skutečnosti říká "5GE" — což znamená 5G Evolution, a najednou to není 5G, o kterém si myslíme, ale jen označení, které vymysleli marketingoví odborníci pro existující LTE síť s některými vylepšeními.
Čipové sady
Mikroelektronické společnosti již investovaly miliardy dolarů do 5G. Čipy pro 5G NR mobilní modemy nabízí Samsung (), Qualcomm (), Huawei (). Modemy od Intelu, nového hráče na tomto trhu, se očekávají na konci roku 2019. Modem Samsung je vyroben pomocí 10nm FinFET technologie a je kompatibilní se staršími standardy počínaje 2G. V frekvenčním pásmu do 6 GHz poskytuje rychlost stahování až 2 Gb/s, při použití milimetrového pásma se rychlost zvyšuje na 6 Gb/s.
Telefony
Téměř všichni výrobci telefonů na Android oznámili plány na zavedení 5G. Samsung představil vlajkovou loď Galaxy S10 ve verzi pro 5G na veletrhu Mobile World Congress na konci února 2019. Již 5. dubna byla jeho uvedení na trh v Koreji. V USA se novinka objevila 16. května, a tam se připojení děje přes síť telekomunikačního operatora Verizon. Ostatní operátoři se také připravují: AT&T oznámila plány na vydání společně se Samsungem druhého smartphonu ve 2. polovině roku 2019.
Během roku 5G smartphony různých výrobců, převážně v prémiové kategorii, budou přicházet do obchodů. Podle některých odhadů nová technologie zvýší cenu zařízení o 200-300 USD a měsíční poplatek o 10%.
Spotřebitelský trh
Případ 1. Domácí internet
5G sítě pevného bezdrátového přístupu se stanou alternativou kabelového internetu v našich bytech. Zatímco dříve internet do našich bytů přicházel kabelem, v budoucnu to bude z 5G věže, a dál už router bude rozdělovat signál přes běžné domácí WiFi. Hlavní společnosti se připravily, synchronizují uvedení routerů na trh s nasazením 5G sítí. Typický 5G router stojí 700-900 $, a zajišťuje rychlost stahování 2-3 Gbit/s. Tímto způsobem operátoři vyřeší problém „poslední míle“ a sníží náklady na pokládku kabelů. A není třeba mít obavy, že existující páteřní sítě nezvládnou zvýšený provoz, který bude přicházet z 5G sítí: probíhají výzkumy využití stávající rezervy optických sítí — takzvaného „černého vlákna“ (dark fibre).
Jak moc bude tento scénář pro uživatele novinkou? Již nyní v některých zemích přestávají využívat tradiční domácí kabelový internet a přecházejí na LTE: ukazuje se, že je rychlejší a levnější využívat mobilní služby za všech okolností, pokud jsou k dispozici výhodné tarify. Taková situace například nastala v Koreji. A je ilustrována tímto komiksem:
Případ 2. Hromadné shromáždění lidí
Určitě se všichni ocitli v takové nepříjemné situaci: přijdete na výstavu nebo stadion a zmizí mobilní signál. A to právě v té chvíli, kdy máte chuť zveřejnit fotografii nebo napsat na sociální sítě.
Stadiony
Samsung uspořádal test ve spolupráci s japonským telekomunikačním operátorem KDDI na 30tisícovém baseballovém stadionu. Použitím testovacích 5G tabletů se podařilo demonstrovat streamování 4K videa současně na několika tabletech.
Stadion je jedním ze tří scénářů, které jsou ilustrovány v demo zóně s názvem 5G City, nacházející se ve městě Suwon (sídelní město Samsung). Další scénáře zahrnují městské prostředí (připojení videokamer, senzorů a informačních tabulí) a vysokorychlostní přístupový bod pro dodávku HD videa do projíždějícího autobusu: zatímco projíždí kolem bodu, stihne se stáhnout film.
Hry
Společnost Niantic – tvůrce celosvětově známé geolokační hry Pokemon Go – má na 5G velké naděje. A to z následujícího důvodu: nedávno se ve hře objevily skupinové akce – raidy. V raidech se musíte koordinovat s ostatními hráči, aby jste společně porazili obzvlášť silného pokémona, a to vytváří zajímavé situace v reálném životě. Tak například hlavní legendární lokalitou hry s nejvzácnějším pokémonem Mewtwo je Times Square v New Yorku – dokážete si představit, jaký tam může být dav složený nejen ze sběratelů pokémonů, ale také z turistů.
Rozšířenou realitu také považují za "killer app" pro 5G. V tomhle můžete vidět koncept magických soubojů v reálném čase, které nyní vyvíjí Niantic ve své nové hře inspirované "Harry Potterem". Niantic již uzavřel partnerství se společností Samsung a operátory Deutsche Telekom a SK Telecom.
Doprava
Nakonec je zajímavý případ s vlaky. Objevil se nápad vybavit železnici 5G připojením pro zábavu a komfort cestujících. Studie Bristolské univerzity : aby bylo dosaženo vysokorychlostního plynulého spojení, je třeba vybavit železnici přístupovými body vzdálenými 800 metrů od sebe!
Příklad toho, jak správně rozmístit přístupové body podél železniční tratě
Byly úspěšně provedeny testy na vlaku, který jezdí poblíž Tokia – tyto Samsung společně s telekomunikačním operátorem KDDI. Během testů byla dosažena rychlost 1,7 Gb/s, a během testu došlo k stažení 8K videa a nahrání 4K videa z kamery.
Nové scénáře použití
Ale to vše je spíše řešení už známých problémů. Co zásadně nového nám může 5G nabídnout?
Spojené vozidlo
Hlavní výhodou je malá latence, která umožňuje vozidlům komunikovat mezi sebou rychlostmi až 500 km/h. Na rozdíl od lidí řidičů, se vozidla konečně mohou dohodnout mezi sebou nebo s nehybnou infrastrukturou na manévrech, což učiní silnice bezpečnějšími. Je zajímavé, že systém bude zohledňovat povětrnostní podmínky: všichni víme, že na kluzkých cestách je brzdná dráha delší, a proto by se v takovém systému měla měnit i pravidla.
Evropská asociace 5GAA (Automotive Association) již sdružuje více než 100 klíčových telekomunikačních a automobilových výrobců po celém světě s cílem urychlit nasazení systému C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything). Hlavními úkoly asociace jsou komplexní silniční bezpečnost a efektivita dopravy. Na bezpečnost mohou spoléhat i cyklisté a chodci s 5G smartphony. Účastníci provozu na vzdálenosti až 1 km se budou moci spojit přímo, při větších vzdálenostech budou potřebovat pokrytí 5G. Systém zajistí vytvoření koridorů pro policii a záchranné služby, zajistí výměnu senzorických dat mezi vozidly, vzdálené řízení a další zázraky. Po spuštění C-V2X plánuje asociace aplikovat získané zkušenosti v 5G V2X, kde se zaměří na průmysl 4.0, chytrá města a vše, co se pohybuje, používá 5G.
Příklady situací, které lze vyřešit pomocí Connected Car. Zdroj: Qualcomm.
5G umožní spojení nejen pozemním vozidlům, ale i létajícím strojům. Tento rok Samsung, ve spolupráci s španělským poskytovatelem internetu Orange, , pilotoval let dronu na dálku pomocí rozvinuté 5G sítě a přijímal vysoce kvalitní video stream v reálném čase. Americký poskytovatel Verizon v roce 2017 koupil , slibuje miliony 5G připojených letů. Drony společnosti jsou již připojeny k spuštěné 4G síti Verizon.
Průmysl 4.0
Výraz „Industrie 4.0“ byl v Německu vytvořen pro jejich program modernizace průmyslu. Asociace (5G Alliance for Connected Industries and Automation) se sídlem v Německu sdružuje od roku 2018 výrobní společnosti, které mají zájem o použití 5G. Největší požadavky na latenci a spolehlivost mají při řízení pohybu průmyslových robotů, kde doba odezvy nesmí přesáhnout desítky mikrosekund. To se nyní řeší pomocí Industrial Ethernet (např. standard EtherCAT). Je velmi pravděpodobné, že 5G se také pokusí o tuto oblast!
Další aplikace, jako je komunikace mezi průmyslovými kontroléry nebo s člověkem-operátorem, senzorové sítě, jsou méně náročné. V současnosti většina těchto sítí používá kabel, takže bezdrátový 5G se jeví jako ekonomicky výhodné řešení, navíc umožňující rychlou rekonstrukci výroby.
V praxi povede ekonomická efektivnost k zavedení 5G v oblastech s vysokými náklady na pracovní sílu, například u řidičů vysokozdvižných vozíků v továrnách a skladech. Evropská inženýrská společnost Acciona například předvedla . Vozík přenáší 360° video ve vysokém rozlišení, vzdálený operátor mu pomůže dostat se z nepředvídané situace. Vozík využívá 5G technologie Cisco a Samsung.
Technologie vzdálené spolupráce půjdou dál. Letos bylo ukázáno, jak chirurg- odborník v reálném čase sleduje průběh onkologické operace konané na mnoha kilometrech daleko od něj, a ukazuje svým kolegům, jak lépe provádět operaci. Jak se technologie zdokonalí, bude moci převzít aktivnější roli a přímo ovládat chirurgické nástroje.
Internet věcí
Především 5G vyřeší problém s mnoha špatně podporovanými standardy komunikace Internetu věcí, což podle našeho názoru v současné době brání rozvoji tohoto odvětví.
Zde může 5G nabídnout následující:
- Ad hoc sítě (bez routerů)
- Vysoká hustota připojených zařízení
- Podpora úzkopásmových, energeticky efektivních (10+ let na jedno nabití) komunikací
Zdá se však, že pro velké podniky jsou v tuto chvíli zajímavější jiné scénáře než Internet věcí. Rychlá prohlídka internetu nenalezla u klíčových hráčů ukázky přínosů 5G pro Internet věcí.
Závěrem této tématu věnujme pozornost zajímavé možnosti. V současnosti závislost na zásuvce nebo nutnost výměny baterií omezuje výběr "věcí". Nízko frekvenční indukční bezdrátové nabíjení funguje pouze na vzdálenost několika centimetrů. 5G a jeho směrové milimetrové vlny umožní efektivní nabíjení na vzdálenost několika metrů. Ačkoli stávající standardy to výslovně neuvádějí, jsme si jisti, že inženýři brzy najdou způsoby, jak tuto možnost využít!
Možnosti pro vývojáře
Pokud vás toto téma zaujalo, kam se posunout dál?
Spojení. Osobně se můžete seznámit s hráči 5G na nejbližších ruských konferencích 29-30 května, 30.-31. května, 25.-27. června, 24. října.
Mezi akademickými kontakty je třeba zmínit pořádaný na Institutu problémů přenosu informací.
Financování. Klíčoví hráči pořádají soutěže o využití 5G v různých oblastech. V USA nedávno Verizon uspořádal soutěž „Built on 5G Challenge“ zaměřenou na Průmysl 4.0, imerzivní spotřebitelské aplikace (VR/AR) a převratné nápady (měnící náš způsob života a práce). Soutěž je otevřena pro registrované malé podniky v USA, přihlášky jsou přijímány do 15. července. Cenový fond je 1 milion dolarů. Vítězové budou oznámeni v říjnu tohoto roku.
Zaměstnání. Kromě čtyř hlavních mobilních operátorů existuje v Rusku několik společností, které plánují využití 5G v blízké budoucnosti. Obchodní model vedoucího poskytovatele obsahu v Rusku a SNS, společnost CDNVideo – platba za objem získaného provozu. Využití 5G, které potenciálně snižuje tuto cenu, umožní společnosti snížit náklady. Společnost PlayKey propaguje hry v cloudu, není překvapující, že má také plány na využití 5G.
Open Source, zdá se, bude hrát klíčovou roli v infrastruktuře. Americká podporuje 5G. Evropská sdružuje ty, kteří chtějí obejít proprietární komponenty 5G infrastruktury. Strategické směry zahrnují podporu 5G modemů a system-defined systémů, heterogenní sítě a internet věcí. virtualizuje sítě rádiového přístupu (Radio Access Networks). Implementace jádra sítě je dostupná od .
Autoři:
Stanislav Polonský – vedoucí oddělení perspektivního výzkumu a vývoje v výzkumném centru Samsung
Tatiana Volkova – autorka vzdělávacího programu projektu IoT Akademie Samsung, odbornice na programy firemní sociální odpovědnosti v výzkumném centru Samsung
Zdroj: habr.com
