5G – kus ja kellele see on vajalik?

Isegi kui te mobiilside standardite põlvkondades eriti ei orienteeru, vastab igaüks tõenäoliselt, et 5G on parem kui 4G/LTE. Tegelikult ei ole kõik nii lihtne. Uurime, milles 5G tõeliselt paremini või halvemini toimib ja millised on selle kasutusjuhtumid, mis tunduvad praeguses seisus kõige paljutõotavamad.

Nii et mida 5G tehnoloogia meile lubab?

• Kiirus tõuseb kümneid kordi kuni 10 Gb/s,
• latentsus väheneb kümneid kordi kuni 1 ms,
• ühenduse usaldusväärsuse suurenemine (packet loss error rate) sadu kordi,
• ühendatud seadmete tiheduse (106/km2) tõus.

Kõik see saavutatakse tänu:

• mitme kanali (paralleelsus sageduste ja baasjaamade kaudu)
• kandjate sageduste suurendamisega ühest kümneteni GHz (raadiokanali läbilaskevõime)

5G parandab 4G traditsioonilistes valdkondades, olgu see filmide kiire allalaadimine või sujuv mobiilirakenduste ühendamine pilve. Kas tähendab, et saame loobuda Interneti kohaletoimetamisest meie korteritesse ja kontoritesse kaabli kaudu?

5G tagab universaalse ühenduse kõigega, ühendades lairibaga, energiat tarbivate protokollide ja kitsasribaga, energiat säästvate. See avab uusi suundi, mis on 4G jaoks kättesaamatud: masinatevaheline suhtlus maapinnal ja õhus, Tootmise 4.0, asjade internet. Oodatakse, et 5G äri teenib 2035. aastaks 3,5 triljonit dollarit ja loob 22 miljonit töökohta.
Või siis mitte?..

(Pildi allikas — Reuters)

Kuidas see toimib

Kes teab, kuidas 5G töötab – jätke see osa vahele.

Nii et kuidas me suudame saavutada sellise kiire andmeedastuse 5G-s, nagu eespool kirjeldatud? See ei ole ju mingi maagia?

Kiirus suureneb, minnes kõrgemale sagedusvahemikule – varasema kasutamata. Näiteks kodune WiFi sagedus on 2,4 või 5 GHz, kuid olemasolevate mobiilsidevõrkude sagedus on 2,6 GHz. Kuid kui räägime 5G-st, siis räägime kohe kümnetest gigahertsidest. Kõik on lihtne: suurendame sagedust, vähendame lainepikkust – ja andmeedastuskiirus suureneb mitu korda. Ja kogu võrk on samuti kergem.

Siin on visuaalne koomiks, kuidas oli ja kuidas saab olema. Oli:


Saab olema:

(Allikas: IEEE Spectrum, Kõik, mida pead teadma 5G-st)

Ajalooline sagedus on tõusnud kümneid kordi, mistõttu 5G puhul tegeleme me palju lühemate, millimeetritesse ulatuvate lainetega. Need ei läbi hästi takistusi. Seega muutub ka võrgu arhitektuur. Kui varem tagasid meile ühenduse suured võimsad tornid, mis võimaldasid side pika vahemaa tagant, siis nüüd on vajalik paigaldada palju kompaktseid nõrkade tornide võrke igal pool. Arvestage, et suurtel linnadel on vaja palju jaamaid, kuna signaal katab kõrghooneid. Näiteks 5G võrkude usaldusväärseks varustamiseks New Yorgis on vaja suurendada basaamide arvu 500 (!) korda.

Kohal hindade kohaselt Venemaa operaatorite jaoks maksab 5G-le minek umbes 150 miljardit rubla – see on summa, mis on võrreldav varasemate 4G-võrgu juurutamiskuludega, isegi vaatamata sellele, et 5G jaama hind on madalam kui olemasolevatel (aga jaamu on vaja palju).

Kaks võrguvarianti: statsionaarne ja mobiilne

Energiatarbimise vähendamiseks ja ulatuse suurendamiseks kasutatakse tehnoloogiat beamforming — dünaamiline raadioläheduse loomine konkreetsele tellijale. Kuidas see toimub? Baasjaam salvestab, kust ja mis kell signaal tuli (see ei tule mitte ainult teie telefonist, vaid ka takistustelt peegelduse kaudu) ning kasutades kolmikutreeningu meetodeid arvutab teie ligikaudse asukoha, seejärel loob ta optimaalse signaali trajektoori.

Allikas: Analysys Mason

Kuid vastuvõtja asukoha jälgimise vajadus toob endaga kaasa väikese erinevuse fikseeritud ja mobiilsete kasutusvõimaluste vahel, ning see peegeldub erinevates kasutusjuhtumites (sellest lisaks — hiljem jaos "Tarbijaturg").

Praegune olukord

Standardid

5G standardit ei ole vastuvõetud. Tehnoloogia on liiga keeruline ja liiga palju osalisi, kellel on vastuolulised huvid.

Eetapil on kõrgelt täiendatud ettepanek 5G NR standardi kohta (Uus Raadio) 3GPP (3rd Generation Partnership Project), mis on välja töötanud varasemad standardid, 3G ja 4G. 5G kasutab kaht raadiolaine sagedusala (Sagedusala, või lühidalt lihtsalt FR). FR1 pakub sagedusi alla 6 GHz. FR2 – üle 24 GHz, nn millimeetri laine. Standard toetab statsionaarseid ja liikuvad vastuvõtjad ning on edasiarendus standardist 5GTF, mille on välja töötanud Ameerika telekommunikatsiooni hiiglane Verizon, kes toetab ainult statsionaarseid vastuvõtjaid (sellist teenust nimetatakse fikseeritud traadita juurdepääsuvõrkudeks).

5G NR standard näeb ette kolm kasutusstsenaariumi:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband) – määratleb tuttava mobiilse interneti;
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) – kõrged nõudmised reageerimise kiirus ja usaldusväärsus – selliste ülesannete jaoks nagu autonoomne transport või kaugoperatsioon;
• mMTC (massive Machine Type Communications) – toetab suurt hulka seadmeid, mis saadavad andmeid harva – IoT juhtum, st arvestid ja jälgimisseadmed.

Või lühidalt, sama pildil:

Oluline on mõista, et esmalt keskendub tööstus eMBB rakendamisele, kuna see on arusaadavam stsenaarium olemasolevate rahavoogudega.

Rakendamine

Alates 2018. aastast on toimunud ulatuslikud testimised, näiteks Lõuna-Koreas peetud talimängudel. 2018. aastal viisid kõik Venemaa nelja suurima mobiilioperaatori testid läbi. MTS testis uut tehnoloogiat koos Samsungiga — katsetati videokõnede, kõrge eraldusvõimega video edastamise ning online-mängude kasutusstsenaariume.

Lõuna-Koreas, esmakordselt maailmas, pakuti 5G teenust 2018. aasta lõpus. Ülemaailmne kaubanduslik kasutuselevõtt on oodata järgmisel, 2020. aastal. Algfaasis kasutatakse FR1 sagedusala olemasolevate 4G võrkude täiendusena. Vastavalt kommunikatsiooniministeeriumi plaanidele hakkab Venemaal 5G ilmuma miljoni elaniku linnades alates 2020. aastast. Praktiliselt määratakse ulatuslik juurutamine rahastamisvõimekuse järgi, ja see aspekt 5G kohta on praegu ebaselge.

Mis on monetiseerimise probleem? Asi on selles, et telekommunikatsiooni operaatorid ei näe praegu tõsiseid põhjuseid moderniseerimiseks: olemasolevad võrgud suudavad toimetulekuga hakkama saada. Hetkel nähakse 5G-d pigem turunduse vaatenurgast: 5G ikoon telefoni ekraanil on operaatori tellijate seas kindlasti plussiks. Märkida tasub anekdootlikku juhtumit operaator AT&T, kes paigaldas 5G ikooni reaalse võrgu puudumisel, mille eest konkurendid esitasid kohtuhagi petmise eest.

Kui tähelepanelikult vaadata, siis on näha, et ikoon on tegelikult „5GE“ — see tähendab 5G Evolution, ja ühtäkki ei ole see 5G, millest me räägime, vaid lihtsalt silt, mille on turundajad loonud olemasolevale LTE-võrgule koos mõningate täiustustega.

Kiibid

Mikroelektroonikafirmad on juba investeerinud mitmeid miljardeid dollareid 5G-sse. 5G NR mobiilimoodulite kiipe pakub Samsung (Exynos Modem 5100), Qualcomm (Snapdragon X55 modem), Huawei (Balong 5000). Inteli modemit, uus mängija turul, on oodata 2019. aastaks. Samsungi modem on valmistatud 10nm FinFET tehnoloogiaga ja on ühilduv vanade standarditega alates 2G. Sagedusvahemikus kuni 6 GHz tagab see allalaadimise kiiruseni kuni 2 Gbit/s, kasutades millimeetritükki, suureneb kiirus kuni 6 Gbit/s.

Telefonid

Peaaegu kõik Android telefonide tootjad on kuulutanud välja plaanid 5G juurutamiseks. Samsung esitles oma lipulaeva Galaxy S10 5G versioonis Mobile World Congressil veebruari lõpus 2019. aastal. 5. aprillil tuli see Lõuna-Koreas turule. USA-s ilmus see 16. mail, kus ühendus toimub Verizon telekommunikatsiooni operaatoriga. Otsivad ka teised operaatorid: AT&T teatab plaanidest välja lasta koos Samsungiga teine nutitelefon 2019. aasta teisel poolel.
Aasta jooksul hakkavad erinevate tootjate 5G nutitelefonid, peamiselt premiumniveau, kauplustes saadaval olema. Mõnede hinnangute kohaselt tõstab uus tehnoloogia seadmete hinda 200-300 USD ja kuutasu 10%.

Tarbijaturg

Juhtum 1. Kodune Internet

5G fikseeritud traadita juurdepääsuvõrgud muutuvad meie korterites kaabelinternetile alternatiiviks. Kui varem tuli internet meie korterisse kaabli kaudu, siis tulevikus — 5G väljakult ning sealt edasi jagab ruuter seda koduse WiFi kaudu. Peamised turumängijad on lõpetanud ettevalmistused, sünkroniseerides ruuteri turule toomise 5G võrkude juurutamisega. Tüüpiline 5G ruuter maksab 700–900 dollarit ja tagab allalaadimiskiirusena 2–3 Gbit/s. Seega lahendavad operaatorid omal poolt «viimase miili» probleemi ning vähendavad kaablite paigaldamise kulusid. Ja ei pea kartma, et olemasolevad peavõrgud ei suuda hakkama saada kasvava liiklusega, mis tuleb 5G võrkudest: käivad uuringud olemasoleva optilise kiudvõrgu reserveerimise, nn «mustade kiudude» kasutamise kohta.

Kuidas on see stsenaarium kasutajatele uudne? Mõnedes riikides on juba hakatud loobuma traditsioonilisest kodusest kaabelinterneti ühendusest ning minema üle LTE-le, sest mobiilside on osutunud igas olukorras kiiremaks ja odavamaks, kui olemas on mugavad paketid. Selline olukord on näiteks Koreas. Seda illustreerib see koomiks:

Juhtum 2. Inimeste massilised kogunemised

Kindlasti on kõik sattunud sellisesse ebamugavusse olukorda: lähed näitusele või staadionile ning mobiilside kaob. Ja just sel hetkel, kui tahaks postitada pilti või kirjutada sotsiaalmeediasse.

Staadionid

Samsung viis läbi testi koos Jaapani telekomioperaatoriga KDDI 30 000-kohalisel pesapalli staadionil. Kasutades teste 5G tahvelarvuteid, õnnestus demonstreerida 4K-video voogesitust samal ajal mitmel tahvelarvutil.

Staadion on üks kolmest stsenaariumist, mida illustreeritakse demozones nimega 5G City, mis asub Suwonis (Samsungi peakorter). Teised stsenaariumid hõlmavad linna keskkonda (kaamerate, sensooride ja infoekraanide ühendamine) ja kõrge kiirus, serveripunkt, mis võimaldab HD-video saatmist liikuvasse bussi: seni, kuni see punktist möödub, jõuab film alla laadida.

Mängud

Ettevõte Niantic – tuntud ülemaailmse geolocation mängu Pokemon Go looja – seab 5G-ile suured lootused. Ja siin on põhjus: mitte nii kaua aega tagasi ilmus mängu grupiüritused – rünnakud. Rünnakutel peate koos teiste mängijatega koordineerima, et ühiselt võita eriti tugev pokemon, ja see loob reaalses elus huvitavaid olukordi. Näiteks mängu kõige haruldasem Pokemon Mewtwo asub Tai mbi väljaku juures New Yorgis – võite vaid ette kujutada, milline rahvas seal kokku mestib, koosnedes mitte ainult pokemoni jahtijatest, vaid ka lihtsalt turistidest.

Ehitustehnoloogiat nähakse samuti kui 5G jaoks "murdmisrakendust". Selles videos saate jälgida maagiliste lahingute kontsepti reaalajas, mis on praegu arendamisel Niantici uues Harry Potteri teemalises mängus. Niantic on juba sõlminud partnerluse Samsungi ja Deutsche Telecomi ning SK Telecomi operaatoritega.

Transport

Lõpuks on huvitav juhtum rongide osas. Ilmunud on idee varustada raudtee 5G sidetehnoloogiaga, et pakkuda reisijatele meelelahutust ja mugavust. Bristol Ülikooli uuring näitas: kõrge kiiruseta sujuva ühenduse tagamiseks tuleb varustada raudtee juurdepääsupunktidega, mis asuvad 800 meetri kaugusel üksteisest!

Näide, kuidas paigutada juurdepääsupunkte mööda raudteed

Katseid viidi edukalt läbi rongil, mis sõitis Tokios – neid teostasSamsung koostöös telekomiettevõtte KDDI-ga. Testide käigus saavutati kiirus 1,7 Gbit/s ning katse käigus laaditi alla 8K videot ja üles 4K videot kaamerast.

Uued kasutusstsenaariumid

Kuid kõik see on pigem lahendus juba tuttavatele probleemidele. Mida uus 5G meile põhimõtteliselt uut pakkuda võiks?

Ühendatud auto

Peamine eelis on madal latentsus, mis võimaldab masinatel omavahel suhelda kiirusel kuni 500 km/h. Erinevalt inimese juhist saavad masinad lõpuks omavahel või staatilise infrastruktuuriga manööverdada, muutes teed ohutumaks. Uudne on ka see, et süsteem arvestab ilmastikutingimusi: kõik teavad, et libedates oludes on pidurdusteekond pikem, seetõttu peavad ka sellise süsteemi reeglid muutuma.

Euroopa 5GAA (Automotive Association) ühendab juba üle 100 peamise telekomi- ja autotootja üle kogu maailma, et kiirendada C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything) süsteemi juurutamist. Assotsiatsiooni peamised eesmärgid on ulatuslik teeohutus ja liikluss efektiivsuse tagamine. Ohutus kehtib ka jalgratturitele ja jalakäijatele, kellel on 5G nutitelefonid. Liiklejatel, kes on kuni 1 km kaugusel, on võimalik otse ühendust võtta, kuid suuremate kauguste puhul on vajalik 5G katvus. Süsteem tagab koridoride loomise politseile ja kiirabile, samuti toob see kaasa sensorite vahetuse autode vahel, kaugjuhtimise ja teisi imesid. Pärast C-V2X käivitamist kavatseb assotsiatsioon rakendada saadud kogemusi 5G V2X-s, suunates tähelepanu tööstusele 4.0, nutikatele linnadele ja kõigesse, mis kasutab 5G-d.

Kuidas ühendatud auto abil olukordi lahendada. Allikas: Qualcomm.

5G võimaldab suhelda mitte ainult maanteesõidukitega, vaid ka lennumasinatega. Sel aastal teeb Samsung koostööd Hispaania internetiteenuse pakkuja Orange'ga, haavatavust, mis võimaldas ründajal käivitada oma koodi serveripoolel api.wordpress.org., kuidas eemalolev pilot juhtis drooni lennu, kasutades väljaehitatud 5G võrku ja saades kõrge eraldusvõimega videovoo reaalajas. Ameerika teenusepakkuja Verizon ostis 2017. aastal droonide operaatori Skyward, lubab miljoneid 5G-ühendatud lendusid. Ettevõtte droonid on juba ühendatud Verizoniga loodud 4G-võrku.

Tööstus 4.0

Tegelikult on mõisted „Industrie 4.0” välja mõeldud Saksamaal nende tööstuse moderniseerimise programmi tarbeks. Assotsiatsioon 5G-ACIA (5G Liit Ühendatud Tööstustele ja Automatiseerimisele) Saksamaal asuva peakorteriga on alates 2018. aastast koondanud tootmisettevõtteid, kes on huvitatud 5G kasutamisest. Suurimad latentsus- ja usaldusväärsusnõuded on tööstuslike robotite liiklusjuhtimises, kus viivitusaeg ei tohi ületada kümneid mikrosekundeid. Praegu lahendatakse see tööstusliku Etherneti (nt EtherCATi standard) abil. On täiesti tõenäoline, et 5G konkureerib ka selle niši pärast!

Teised rakendused, nagu sidemed tööstuslike kontrollerite või inimoperaatori vahel, sensorvõrgud, on vähem nõudlikud. Praegu kasutavad enamik neist võrkudest kaableid, seega näib traadita 5G majanduslikult õigustatuna lahendusena, lisaks võimaldades kiiret tootmise ümberkorraldamist.

Praktikas toob majanduslik tasuvus kaasa 5G kasutuselevõtu kõige kulukamates valdkondades, mis on seotud inimtööjõu tasumisega, näiteks tõstukijuhid tehastes ja ladudes. Näiteks näitas Euroopa insenerifirma Acciona autonoomset robotkäru MIR200. Käru edastab 360-kraadist videot kõrge eraldusvõimega, kaugjuhtija aitab tal lahkuda etteaimamatust olukorrast. Käru kasutab 5G-tehnoloogiaid Cisco ja Samsung.

Kaugkoostöö tehnoloogiad arenevad edasi. Sellel aastal demonstreeriti, kuidas kogenud kirurg jälgib reaalajas vähikirurgiat, mis toimub temast kaugel, ja näitab oma kolleegidele, kuidas operatsiooni paremini läbi viia. Tehnoloogia täiustamise käigus suudab ta osaleda aktiivsemalt, juhtides kirurgilisi instrumente otseselt.

Asjade internet

Esiteks lahendab 5G probleemi arvukate ja halvasti toetatud ühendusstandarditega, mis piirab selle suuna arengut.

Siin võib 5G pakkuda järgmist:

• Ad hoc võrgud (ilma ruuteriteta)
• Kõrge ühendatud seadmete tihedus
• Toetab kitsasribalaid, energiatõhusaid (10+ aastat ühe patareiga) suhtlusi

Kuid näib, et suurettevõtetele on hetkel huvitavamad muud, mitte-Asjade interneti stsenaariumid. Pindmine otsing internetis ei leidnud peamiste mängijate 5G eeliste demonstreerimisvõimalusi Asjade interneti jaoks.

Lõpetades selle teema, tasub pöörata tähelepanu järgmisele huvitavale võimalusele. Hetkel piirab pistiku sõltuvus või akude vahetamise vajadus "asjade" valikut. Madalsageduslik induktiivne juhtmeta laadimine töötab vaid paaricentimeetriste vahemaade korral. 5G ja selle suunatud millimeetraalsed lained võimaldavad tõhusat laadimist mitme meetri kauguselt. Kuigi olemasolevad standardid seda ei käsitle, ei kahtle me, et insenerid leiavad peagi viise selle võimaluse ära kasutamiseks!

Arendajate võimalused

Kui teema tundus huvitav, siis kuhu edasi liikuda?

Seosed. Isiklikult kohtuda 5G tegijatega saab lähitulevikus Venemaa konverentsidel. Skolkovo Startup Village 2019 29-30 mai, Wireless Russia Forum: 4G, 5G & Beyond 2019 30-31 mai, CEBIT Russia 2019 25-27 juuni, Smart Cars & Roads 2019 24. oktoober.

Akadeemiliste kontaktide hulgas tuleks märkida Moscow Telecommunication Seminar , mis toimub Informatsiooni Edastamise Probleemide Instituudis.

Rahastamine. Peamised mängijad korraldavad konkursside kaudu 5G kasutamist erinevates valdkondades. Ameerikas korraldas Verizon hiljuti teatas «Built on 5G Challenge» konkurs 4.0 tööstuse, immersiivsete tarbijarakenduste (VR/AR) ja murranguliste ideede jaoks (mis muudavad meie elu ja tööviisi). Konkurs on avatud USA-s registreeritud väikestele ettevõtetele, taotlusi ootatakse kuni 15. juulini. Auhindade fond on 1 miljon dollarit. Võitjad kuulutatakse välja sel aastal oktoobris.

Töökohtade leidmineLisaks neljale suurele mobiilioperaatorile on Venemaal mitmeid ettevõtteid, kes plaanivad 5G kasutuselevõttu lähitulevikus. Venemere ja SRÜ juhtiva sisu edastamise teenuse pakkuja CDNVideo ärimudel põhineb saadud liikluse mahul. 5G kasutamine, mis potentsiaalselt vähendab seda hinda, võimaldab ettevõttel oma kulusid alandada. Ettevõte PlayKey propageerib pilvemänge, pole üllatav, et ka tema plaanides on 5G kasutamine.

Avatud lähtekood, näib, et see mängib infrastruktuuris võtmerolli. Ameerika Open Networking Foundation toetab 5G. Euroopa OpenAirInterface Software Alliance ühendab need, kes soovivad vältida 5G infrastruktuuri suletud komponente. Strateegilised suunad hõlmavad 5G modemite ja tarkvaradefinitsiooniga süsteemide, heterogeense võrgu ja asjade Interneti toetust. O-RAN Alliance virtualiseerib raadiosidevõrke (Radio Access Networks). Võrgu tuum on saadaval Open5GCore.

Autorid:

Stanislav Polonski — Samsungi teadus- ja arenduskeskuse tulevikuuuringute osakonna juht

Tatjana Volkova — Samsungi IoT Akadeemia õppeprogrammi autor, ettevõtte sotsiaalse vastutuse programmide spetsialist Samsungi teadus- ja arenduskeskuses.

Allikas: habr.com