5G – kus see on vajalik?

Isegi mitte eriti süvenedes mobiilsidemugavuste põlvkondadesse, suudab igaüks kindlasti vastata, et 5G on parem kui 4G/LTE. Tegelikult ei ole kõik nii lihtne. Vaatame, millega on 5G parem/halvem ja millised kasutusjuhtumid on praeguse seisuga kõige paljutõotavamad.

Nii et mida lubab meile 5G tehnoloogia?

• Kiirus tõuseb kümneid kordi kuni 10 Gb/s,
• Viivitused (latentsus) vähenevad kümneid kordi kuni 1 ms,
• Ühenduse usaldusväärsuse suurenemine (packet loss error rate) sada korda,
• Ühendatud seadmete tiheduse (arvu) suurenemine (106/km2).

Kõike seda saavutatakse tänu:

• multikanalitele (paralleelsus sagedustes ja baasjaamades)
• kandjate sageduste suurendamisele ühest kümnete GHz-ni (raadiokanalite läbilaskevõime)

5G parandab 4G traditsioonilistes valdkondades, olgu see siis filmi kohene allalaadimine või sujuv mobiilirakenduse seos pilvega. Kas see tähendaks, et saame loobuda interneti toimetamisest oma korteritesse ja kontoritesse kaabli kaudu?

5G tagab universaalse ühenduse kõigega, ühendades lairibaprotokollid väikese energiatarbimisega kitsaste protokollidega. See avab uusi, 4G-le kättesaamatuid suundi: masinatevaheline suhtlus maapinnal ja õhus, Tootmine 4.0, Asjade Internet. Oodatakse, et 5G äri teenib 2035. aastaks 3,5 triljoni dollari suuruse tulu ja loob 22 miljonit töökohta.
Või siis mitte?..

(Pildi allikas — Reuters)

Kuidas see töötab

Kes teab, kuidas 5G töötab – vahepeal soe vahe.

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

Kiirus tõuseb tänu üleminekule kõrgemale sagedusvahemikule – varasemalt mittetäidetud. Näiteks, koduse WiFi sagedus on 2,4 või 5 GHz, olemasolevate mobiilsidevõrkude sagedused jäävad 2,6 GHz piiresse. Kuid kui räägime 5G-st, siis jutt käib kohe kümnetest gigahertsidest. Kõik on lihtne: suurendame sagedust, vähendame lainepikkust – ja andmeedastuskiirus suureneb mitmekordselt. Ja koguvõrk koormusest vabane.

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


Saab olema:

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

Sagedus on tõusnud mitmekordselt, seega 5G puhul tegeleme palju lühemate, millimeetrite pikkuste lainetega. Need läbivad takistusi halvasti. Seetõttu muutub ka võrgu arhitektuur. Kui varem tagasid meile ühenduse suured võimsad jaamad, mis pakkusid ühendust pikkade vahemaade tagant, siis nüüd on vaja paigaldada palju kompaktseid väikese võimsusega jaamu igale poole. Arvesse tuleks võtta, et suurtes linnades on jaamu vaja väga palju, kuna signaalid kattuvad kõrghoonetega. Niisiis, et New York oleks usaldusväärselt varustatud 5G võrkudega, on vaja suurendada baasjaamade arvu 500 (!) korda.

Ajal Sellepärast kulutavad IT-ettevõtted miljardeid võrgu infrastruktuuri arendamiseks. Näiteks Google Venemaa operaatoritele maksab 5G-le üleminek umbes 150 miljardit rubla – see summa on sarnane varasemate kulutustega 4G võrgu ülesehitamiseks, isegi hoolimata sellest, et 5G jaama maksumus on madalam kui olemasolevatel (aga neid on palju).

On olemas kaks võrgu varianti: fikseeritud ja mobiilne

Energiatarbimise vähendamiseks ja ulatuse suurendamiseks kasutatakse tehnoloogiat beamforming — dünaamiline raadiolaine suunamine konkreetsele kasutajale. Kuidas see siis toimib? Baasjaam salvestab, kust ja kui palju signaali on saadetud (see ei tule ainult teie telefonist, vaid ka takistuste peegelduse kaudu), ning trianguleerimise meetodite abil arvutab teie ligikaudse asukoha, et seejärel ehitada signaali optimaalne trajektoor.

Allikas: Analysys Mason

Kuid vastuvõtja asukoha jälgimise vajadus toob kaasa väikese erinevuse fikseeritud ja mobiilsete kasutusvariantide vahel ning see kajastub erinevates kasutusjuhtumites (sellest räägime veidi hiljem, jaotises „Kasutajaturg”).

Status Quo

Standardid

Käesolevat 5G standardit ei ole. Tehnoloogia on liiga keeruline ja osalejaid on liiga palju, kellel on vastandlikud huvid.

Eelnevalt välja töötatud on 5G NR standard (New Radio) 3GPP organisatsiooni poolt (3rd Generation Partnership Project), mis on välja töötanud eelnevad standardid, 3G ja 4G. 5G kasutab kahte raadiolaine sagedusala (Frequency Range, või lühidalt lihtsalt FR). FR1 pakub sagedusi alla 6GHz. FR2 - üle 24GHz, nn millimeetri lained. Standard toetab statsionaarseid ja liikuvate vastuvõtjate ning on edasimineku astme 5GTF standardist, mille on välja töötanud Ameerika telekomigigant Verizon, toetades ainult statsionaarseid vastuvõtjat (sellist teenust nimetatakse fikseeritud traadita juurdepääsuvõrkudeks).

5G NR standard näeb ette kolm kasutusskeemi:

• eMBB (täiustatud mobiilne lairibateenuse) - määratleb tavalise mobiilse interneti;
• URLLC (ülimalt usaldusväärsed madala latentsusega kommunikatsioonid) - suured nõudmised reageerimiskiirus ja usaldusväärsus - selliste ülesannete jaoks nagu autonoomne transport või kaugel põhiharjad;
• mMTC (massiline masinatüüpi side) - toetab suurt hulka seadmeid, mis saadavad andmeid harva - Interneti asjade juhtum, st mõõtureid ja jälgimisseadmeid.

Või lühidalt, sama pildil:

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

Rakendamine

2018. aastal viidi läbi ulatuslikud testid, näiteks Lõuna-Korea talimängudel. 2018. aastal viisid kõik Venemaa «suure neliku» operaatorid läbi testid. MTS testis uut tehnoloogiat koostöös Samsungiga — testiti videokõnede, kõrge eraldusvõimega videote edastamise ja online-mängude kasutusskeeme.

Lõuna-Koreas pakuti esmakordselt maailmas 5G teenust 2018. aasta lõpus. Ülemaailmset äri kasutuselevõttu oodatakse järgmisel, 2020. aastal. Algfaasis kasutatakse FR1 sagedusspektrit olemasolevate 4G võrkude täiendusena. Minikommunikatsiooniministeeriumi plaanide kohaselt hakkab Venemaal 5G esmakordselt ilmnema miljoni elaniku linnades 2020. aastast. Praktiliselt määrab ulatusliku rakendamise võimalus rahastamise, ja see aspekt 5G osas on praegu ebaselge.

Mis siis on probleem rahastamisega? Asjaolu, et telekomi operaatorid ei näe veel olulisi põhjuseid moderniseerimiseks: olemasolevad võrgud saavad koormusega hästi hakkama. Ja praegu peavad nad 5G-d pigem turunduse kontekstis: 5G ikoon telefoni ekraanil on kindlasti eelis telekomi operaatori abonentide silmis. Iseloomulik on anekdootlik juhtum operaator AT&T, paigutades 5G ikooni reaalsete võrkude puudumisel, mille tõttu esitasid konkurendid talle kohtuasja petuse tõttu.

Kui hästi vaadata, siis on tegelikult ikoon "5GE" — see tähendab 5G Evolution, ja äkki ei ole see see 5G, millest me mõtleme, vaid lihtsalt turundajate loodud silt olemasolevale LTE-võrgule mõningate täiustustega.

Kiibid

Mikroelektroonika ettevõtted on juba investeerinud miljardeid dollareid 5G-sse. 5G NR mobiilimodeemide kiipe pakub Samsung (Exynos Modem 5100), Qualcomm (Snapdragon X55 modem), Huawei (Balong 5000). Intelilt, kes on see uus mängija turul, oodatakse modeeme 2019. aasta lõpuks. Samsungi modeem on valmistatud 10nm FinFET tehnoloogial ja on ühilduv vanade standarditega alates 2G. 6 GHz sagedusalas saavutab see allalaadimise kiirus kuni 2 Gbit/s, millimeeter sagedusalas tõuseb kiirus kuni 6 Gbit/s.

Telefonid

Peaaegu kõik Androidi telefonide tootjad on kuulutanud välja plaanid 5G kasutuselevõtuks. Samsung esitles 5G versioonis lipulaeva Galaxy S10 Mobile World Congressil 2019. aasta veebruari lõpus. 5. aprillil toimus selle käivitus Koreas. USA-s tuli uudis müüki 16. mail ning seal toimub ühendus Verizon telekommunikatsioonivõrguga. Teised operaatorid järgivad: AT&T teatab plaanidest koos Samsungiga teise nutitelefoni väljaandmiseks 2019. aasta teises pooles.
Aasta jooksul jõuavad erinevate tootjate 5G nutitelefonid, peamiselt premium-klassi, kauplustes müügile. Mõnede hinnangute kohaselt suurendab uus tehnoloogia seadmete hinda 200-300 dollari võrra ja kuu maksu 10%.

Tarbijaturg

Juhtum 1. Kodune internet

5G traadita juurdepääsu võrgud saavad olema alternatiiviks kaabli internetile meie kodudes. Kui varem tuli internet meie korterisse kaabli kaudu, siis tulevikus - 5G jaama kaudu, ning sealt edasi hakkab ruuter seda jagama läbi tuttava kodu WiFi. Peamised valdkonna mängijad on lõpetanud ettevalmistuse, sünkroniseerides ruuterite müüki 5G võrkude juurutamisega. Tüüpiline 5G ruuter maksab 700–900 dollarit ja pakub allalaadimiskiirus 2–3 Gbit/s. Seega lahendavad operaatorid oma „viimase miili“ probleemi ja vähendavad kaablite paigaldamise kulusid. Ja ei tasu karta, et olemasolevad põhivõrgud ei suudaks taluda 5G võrkudest tulevat suurenenud liiklust: käivad uuringud olemasoleva optilise kiudvõrgu reservaadi — nn „must kiud“ (dark fibre) — kasutamise kohta.

Kuidas see stsenaarium kasutajatele uudne on? Juba praegu lõpetavad mõned riigid traditsioonilise koduse kaabli interneti kasutamise ja liiguvad LTE peale: osutub kiiremaks ja odavamaks kasutada mobiilside teenuseid kõikides olukordades, kui sobivad tariifid on olemas. Selline olukord on näiteks Koreas. Ja seda illustreerib see koomiks:

Juhtum 2. Massilised inimeste kogunemised

Tõenäoliselt on kõik olnud sellises ebamugavas olukorras: tuled messile või staadionile ja mobiilside kadus. Ja just sel hetkel, kui tahaks postitada pilti või kirjutada sotsiaalmeediasse.

Staadionid

Samsung viis läbi testi koos Jaapani telekommunikatsioonifirmaga KDDI 30 000 inimese staadionil. Kasutades testruutereid, õnnestus näidata 4K video striimingut samaaegselt mitmel seadmel.

Staadion on üks kolmest stsenaariumist, mis on illustreeritud demozones nimega 5G City, mis asub Suwonis (Samsungi peakorter). Muud stsenaariumid hõlmavad linnakeskkonda (kaamerate, sensorite ja infoekraanide ühendamine) ja kõrgkiiruslikku juurdepääsu HD-video edastamiseks liikuvasse bussi: kui see möödub punktist, jõuab film alla laadida.

Mängud

Ettevõte Niantic, maailmakuulsa geolokatsioonimängu Pokemon Go looja, loodab suurt 5G-le. Siin on, miks: hiljuti lisandus mängu grupisündmuste – rünnakute – võimalus. Rünnakutel peate teiste mängijatega kooskõlastama, et ühiselt võita eriti tugev pokémon, mis loob huvitavaid olukordi reaalses elus. Mängu peamine legendaarne asukoht, kus asub kõige haruldasem pokémon Mewtwo, asub New Yorki Time Square'il – võite vaid ette kujutada, kui suur rahvahulk seal kokku saab, koosnedes mitte ainult pokémoni jahimeestest, vaid ka lihtsalt turiste.

Täiendavat reaalsust peetakse samuti 5G jaoks „tapjarakenduseks”. Sellega videol võite näha reaalajas maagiliste lahingute kontsepti, mille kallal Niantic praegu töötab uues mängus Harry Potteri motiividel. Niantic on juba sõlminud partnerluse Samsungi ja Deutsche Telekomi ning SK Telecomiga.

Transport

Lõpuks on huvitav juhtum rongidega. Tuli idee varustada raudtee 5G sidetehnoloogiaga, et pakkuda reisijatele meelelahutust ja mugavust. Bristoli ülikooli uuring näitas: et saavutada kiire ja sujuv ühendus, tuleb raudtee varustada juurdepääsupunktidega 800 meetri kaugusel üksteisest!

Näide, kuidas peaks juurdepääsupunkte raudteerööbastee ääres paigutama

Testid toimusid edukalt rongis, mis liikus Tokyos – need viidi läbiSamsungi ja telekomiettevõtte KDDI koostöös. Testide käigus saavutati kiirus 1,7 Gbit/s ning testimise käigus laaditi alla 8K video ning laaditi üles 4K video kaamerast.

Uued kasutusstsenaariumid

Aga kõik need on pigem tuntud probleemide lahendused. Mis täiesti uut võib 5G meile pakkuda?

Ühendatud auto

Peamine eelis – väike latentsus, mis võimaldab autodel omavahel suhelda kiirusel kuni 500 km/h. Erinevalt inimjuhtidest saavad autod lõpuks omavahel või staatilise infrastruktuuriga manööverduste osas kokku leppida, muutes teed ohutumaks. Huvitav on see, et süsteem arvestab ilmastikutingimustega: kõik teavad, et libedates oludes on pidurdusteekond pikem, seetõttu peavad ka sellises süsteemis reeglid muutuma.

Euroopa 5GAA (Automotive Association) ühendab juba üle 100 peamise telekommunikatsiooni- ja autotootja üle kogu maailma, et kiirendada C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything) süsteemi kasutuselevõttu. Assotsiatsiooni põhieesmärgid on kõikehõlmav liiklusohutus ja sõiduki efektiivsus. Ohutuse tagamisele saavad toetuda ka jalgratturid ja jalakäijad, kel on 5G nutitelefonid. Liiklejatele, kes on kuni 1 km kaugusel, on võimalik otse suhelda, kaugel asuvate jaoks on vajalik 5G-ühendus. Süsteem tagab koridoride loomise politseile ja kiirabile, näeb ette sensorite vahetuse autode vahel, kaugjuhtimise ja palju muud. Pärast C-V2X käivitamist kavatseb assotsiatsioon rakendada saadud kogemusi 5G V2X, kus suunatakse tähelepanu tööstusele 4.0, nutikatele linnadele ja kõigile, mis liikleb 5G abil.

Connected Car'i abil lahendatavad olukorrad. Allikas: Qualcomm.

5G võimaldab suhelda mitte ainult maanteesõidukitega, vaid ka õhusõidukitega. Sel aastal tegi Samsung koostööd hispaania internetiteenuse pakkujaga Orange, demonstreeris, kuidas kaugjuht piloot juhtis drooni, kasutades rakendatud 5G võrku ja saanud reaalajas kõrglahutuslikku videostreami. Ameerika teenusepakkuja Verizon ostis 2017. aastal droonide operaatori Skyward, lubades miljoneid 5G-ühendatud lende. Ettevõtte droonid on juba ühendatud käivitatud 4G Verizon võrku.

Tööstus 4.0

Tõepoolest, väljend «Industrie 4.0» loodi Saksamaal nende tööstuse moderniseerimise programmi jaoks. Assotsiatsioon 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation), mille peakorter asub Saksamaal, on alates 2018. aastast koondanud tootmisettevõtteid, kes on huvitatud 5G kasutamisest. Suurimad nõudmised latentsuse ja usaldusväärsuse osas esitab tööstusrobotite liikumise juhtimine, kus reageerimise aeg ei tohi ületada kümneid mikrosekundeid. Praegu lahendatakse seda tööstusliku Ethernet'i abil (näiteks standard EtherCAT). On täiesti tõenäoline, et 5G konkureerib ka selle nishiga!

Muud rakendused, nagu side tööstuslike kontrollerite vahel või inimesega operaator, sensorivõrgud, ei ole nii nõudlikud. Praegu kasutab enamik sellistest võrkudest kaablit, seetõttu tundub traadita 5G majanduslikult põhjendatud lahendus, mis võimaldab ka tootmise kiiret ümberkonfigureerimist.

Praktiliselt toob majanduslik põhjuslikkus 5G rakendamise, eriti kallites valdkondades, mis on seotud inimtööjõu tasustamisega, näiteks ekskavaatorite juhtide seas tehastes ja ladudes. Nii demonstreeris Euroopa insenerifirma Acciona iseseisvat robotitõstukit MIR200. Tõstuk edastab 360-kraadist videot kõrge eraldusvõimega, kaugoperatsioonija aitab tal ootamatust olukorrast välja pääseda. Tõstuk kasutab 5G tehnoloogiaid Cisco ja Samsungilt.

Kaugkoostöö tehnoloogiad lähevad edasi. Sel aastal näidati, kuidas ekspert kirurg jälgib reaalajas onkoloogilist operatsiooni, mis toimub temast kaugel, ja näitab oma kolleegidele, kuidas operatsiooni paremini teostada. Tehnoloogia arenedes saab ta osaleda aktiivsemalt, juhtides otse kirurgilisi instrumente.

Asjade Internet

Esiteks lahendab 5G probleemi paljude halbade ja halvasti toetatud asjade Interneti suhtestandartidega, mis antud hetkel meie arvates piiravad selle valdkonna arengut.

Siin võib 5G pakkuda järgmist:

• Ad hoc võrgud (ilma marsruuteriteta)
• Kõrge ühendatud seadmete tihedus
• Toetamine kitsasse ribalaiusesse, energiatõhusasse (10+ aastat ühe patareiga) kommunikatsiooni

Aga tundub, et suurte ettevõtete huvi on seni rohkem teistes, mitte-asjade Interneti stsenaariumides. Kiire internetiotsing ei leidnud võtmehäältega mängijatelt 5G eeliste demonstreerimist asjade Interneti jaoks.

Selle teema lõpetuseks heidame pilgu järgmisele huvitavale võimalusele. Praegu piirab pistikupesa sõltuvus või akude vahetamise vajadus 'asjade' valikut. Madalsageduseline induktiivne juhtmeta laadimine töötab vaid mõne sentimeetri kaugusel. 5G ja selle suunatud millimeeterlaine võimaldavad tõhusat laadimist mitme meetri kauguselt. Kuigi olemasolevad standardid seda ei reguleeri, ei kahtle me, et insenerid leiavad peagi võimalusi selle võimaluse kasutamiseks!

Arendajate võimalused

Kui teema on teile huvi pakkunud, siis kuhu edasi liikuda?

Sidemed. Isiklikult saab 5G tegijatega tutvuda lähimatelt Venemaa konverentsidelt Skolkovo Startup Village 2019 29-30 mai, Kaabliteta Venemaa Foorum: 4G, 5G ja kaugemal 2019 30-31 mai, CEBIT Venemaa 2019 25-27 juuni, Nutiautod ja teed 2019 24. oktoobril.

Akadeemilistest kontaktidest tasub märkida Moskva Telekommunikatsiooni Seminar toimub Infotehnoloogia Ülikoolis.

Rahastamine. Peamised mängijad korraldavad konkurse 5G kasutamiseks erinevates valdkondades. Ameerikas korraldas Verizon hiljuti teatas konkurssi „Built on 5G Challenge” Tootmisest 4.0, immersiivsete tarbija rakenduste (VR/AR) ja läbimurdlike ideede (mis muudavad meie elu ja tööd). Konkursile saavad kandideerida USA-s registreeritud väiksed ettevõtted, taotlusi võetakse vastu kuni 15. juulini. Auhinnafond on 1 miljon dollarit. Võitjad kuulutatakse välja selle aasta oktoobris.

Tööhõive. Lisaks suurele neljale mobiilioperaatorile on Venemaal mitmeid ettevõtteid, kes plaanivad 5G kasutamist lähitulevikus. Venemaal ja SRÜs tegutseva sisu edastamise ettevõtte CDNVideo ärimudel põhineb mahul, mille eest tasutakse. 5G kasutamine, mis potentsiaalselt vähendab seda hinda, võimaldab ettevõttel kulusid vähendada. PlayKey edendab pilvemänge ja pole üllatav, et ka neil on plaanis kasutada 5G.

Open Source, näib olevat võtmeroll infrastruktuuris. Ameerika Open Networking Foundation toetab 5G-d. Euroopa OpenAirInterface Software Alliance koondab huvilisi, kes tahavad mööda minna 5G infrastruktuuri patentidest. Strateegilised suunad hõlmavad 5G modemite ja tarkvaradefined süsteemide, heterogeensete võrkude ja asjade interneti toetust. O-RAN Alliance virtuaaliseerib raadiosidevõrke (Radio Access Networks). Võrgu tuuma rakendamine on võimalik Open5GCore.

Autorid:

Stanislav Polonski — Samsungi Tehnoloogia Uurimiskeskuse teadus- ja arendusosakonna juhataja

Tatjana Volkova — Samsungi IoT Akadeemia projekti õppekava autor, Samsungi Tehnoloogia Uurimiskeskuse ettevõtte sotsiaalse vastutuse spetsialist

Allikas: habr.com