Nawet nie znając dokładnie pokoleń standardów telefonii komórkowej, każdy z pewnością odpowie, że 5G jest lepsze niż 4G/LTE. W rzeczywistości sprawa nie jest taka prosta. Przyjrzyjmy się, w czym 5G jest lepsze/gorsze i jakie przypadki jego wykorzystania są obecnie najbardziej obiecujące, biorąc pod uwagę obecny stan.
Więc co obiecuje nam technologia 5G?
- Zwiększenie prędkości dziesięciokrotnie do 10 Gb/s,
- Zmniejszenie opóźnień (latencja) dziesięciokrotnie do 1 ms,
- Zwiększenie niezawodności połączenia (wskaźnik błędów utraty pakietów) setki razy,
- Zwiększenie gęstości (liczby) podłączonych urządzeń (106/km2).
To wszystko osiąga się dzięki:
- wielokanałowości (równoległość częstotliwości i stacji bazowych)
- zwiększeniu częstotliwości nośnych z jednocyfrowych do dziesiątek GHz (przepustowość kanału radiowego)
5G poprawi 4G w tradycyjnych obszarach, niezależnie od tego, czy chodzi o błyskawiczne pobieranie filmu, czy bezproblemowe połączenie aplikacji mobilnej z chmurą. Czy oznacza to, że będziemy mogli zrezygnować z dostarczania Internetu do naszych mieszkań i biur za pomocą kabla?
5G zapewni uniwersalne połączenie wszystkiego ze wszystkim, łącząc szerokopasmowe, energochłonne protokoły z wąskopasmowymi, energooszczędnymi. Otworzy to nowe kierunki, które są niedostępne dla 4G: komunikację między maszynami na ziemi i w powietrzu, Przemysł 4.0, Internet Rzeczy. , że biznes 5G zarobi 3,5 biliona dolarów do roku 2035 i stworzy 22 miliony miejsc pracy.
Czy może nie?..
(Źródło obrazka — Reuters)
Jak to działa
Kto zna się na tym, jak działa 5G, może pominąć tę sekcję.
Więc dzięki czemu możemy osiągnąć tak szybki transfer danych w 5G, jak opisano powyżej? To przecież nie magia?
Zwiększenie prędkości będzie możliwe dzięki przejściu na wyższy zakres częstotliwości – wcześniej niewykorzystany. Dla przykładu, częstotliwość domowego Wi-Fi wynosi 2,4 lub 5 GHz, a częstotliwość istniejących sieci komórkowych wynosi około 2,6 GHz. Ale gdy mówimy o 5G, mówimy od razu o dziesiątkach gigaherców. To proste: zwiększamy częstotliwość, zmniejszamy długość fali – a prędkość transmisji danych staje się wielokrotnie większa. A sieć w ogóle się odciąża.
Oto obrazkowy komiks, jak wyglądało to wcześniej, a jak będzie. Było:
Będzie:
(Źródło: IEEE Spectrum, )
Częstotliwość wzrosła wielokrotnie, dlatego w 5G mamy do czynienia z dużo krótszymi, milimetrowymi falami. Słabo przechodzą one przez przeszkody. W związku z tym zmienia się również architektura sieci. Jeśli wcześniej łączność zapewniały nam potężne wieże, które dawały sygnał na dużych odległościach, to teraz będzie trzeba rozstawić wiele kompaktowych, niskomocnych wież wszędzie. Należy uwzględnić, że w dużych miastach potrzebnych będzie bardzo wiele stacji z powodu zakłóceń sygnału przez wieżowce. Tak więc, aby zapewnić Nowemu Jorkowi solidne pokrycie siecią 5G, konieczne jest liczby stacji bazowych o 500 (!) razy.
Według rosyjskich operatorów, przejście na 5G będzie kosztować około 150 miliardów rubli – koszt porównywalny z wcześniejszymi wydatkami na wdrożenie sieci 4G, pomimo że koszt stacji 5G jest niższy od istniejących (ale tych stacji potrzeba wiele).
Dwa warianty sieci: stacjonarna i mobilna
Aby zmniejszyć zużycie energii i zwiększyć zasięg, stosuje się technologię beamforming — dynamiczne formowanie promienia radiowego dla konkretnego abonenta. Jak to działa? Stacja bazowa zapamiętuje, skąd i kiedy przyszedł sygnał (pochodzi on nie tylko z Twojego telefonu, ale także jako odbicie od przeszkód), a następnie za pomocą metod triangulacji oblicza Twoją przybliżoną lokalizację, a następnie buduje optymalną trajektorię sygnału.
Źródło: Analysys Mason
Jednak konieczność śledzenia lokalizacji odbiornika wprowadza niewielką różnicę między stacjonarnym a mobilnym wariantem zastosowania, co znajduje odzwierciedlenie w różnych przypadkach użycia (o tym - trochę później, w sekcji „Rynek konsumencki”).
Status Quo
Standardy
Nie ma przyjętego standardu 5G. Technologia jest zbyt skomplikowana i zbyt wielu graczy ma sprzeczne interesy.
W fazie propozycji o wysokim stopniu zaawansowania znajduje się standard 5G NR (New Radio) od organizacji 3GPP (3rd Generation Partnership Project), która opracowała poprzednie standardy, 3G i 4G. 5G wykorzystuje dwa pasma radiowe (Frequency Range, lub w skrócie po prostu FR). FR1 oferuje częstotliwości poniżej 6 GHz. FR2 – powyżej 24 GHz, tzw. fale milimetrowe. Standard obsługuje odbiorniki stacjonarne i poruszające się i jest dalszym rozwinięciem standardu 5GTF opracowanego przez amerykańskiego giganta telekomunikacyjnego Verizon, który obsługuje jedynie odbiorniki stacjonarne (taki rodzaj usług nazywa się sieciami stałego dostępu bezprzewodowego).
Standard 5G NR przewiduje trzy scenariusze zastosowania:
- eMBB (ulepszona szerokopasmowa komunikacja mobilna) – definiuje nam znany mobilny internet;
- URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) — wysokie wymagania dotyczące szybkości reakcji i niezawodności – do zadań takich jak autonomiczny transport czy chirurgia na odległość;
- mMTC (masowa komunikacja urządzeń) – wsparcie dla dużej liczby urządzeń, które rzadko przesyłają dane – przypadek Internetu rzeczy, czyli liczników i urządzeń monitorujących.
Lub krótko, to samo na obrazku:
Ważne jest zrozumienie, że najpierw przemysł skupi się na wdrożeniu eMBB, jako bardziej zrozumiałego scenariusza z istniejącymi przepływami pieniężnymi.
Wdrożenie
Od 2018 roku prowadzone są szerokie testy, na przykład podczas zimowych igrzysk olimpijskich w Korei Południowej. W 2018 roku wszyscy rosyjscy operatorzy 'wielkiej czwórki' przeprowadzili testy. MTS testowało nową technologię — testowano scenariusze wykorzystania z połączeniami wideo, przesyłaniem wideo w wysokiej rozdzielczości, grami online.
W Korei Południowej, po raz pierwszy na świecie, usługa 5G została zaoferowana pod koniec 2018 roku. Globalne wprowadzenie komercyjne oczekiwane jest w przyszłym, 2020 roku. Na początkowym etapie będzie wykorzystywany zakres FR1 jako rozszerzenie istniejących sieci 4G. Zgodnie z planami Ministerstwa Łączności, w Rosji 5G zacznie pojawiać się w miastach milionowych od 2020 roku. W praktyce, szerokie wdrożenie będzie określane możliwością monetyzacji, a ten aspekt 5G na razie nie jest jasny.
Jaka jest więc problem z monetyzacją? Chodzi o to, że operatorzy telekomunikacyjni na razie nie widzą mocnych podstaw do modernizacji: istniejące sieci radzą sobie z obciążeniem. Obecnie 5G jest przez nich rozpatrywane raczej w kontekście marketingowym: ikona 5G na ekranie telefonu z pewnością będzie atutem w oczach abonentów operatora telekomunikacyjnego. Warto przytoczyć anegdotyczny przypadek z , umieszczając ikonę 5G w przypadku braku rzeczywistej sieci, za co konkurenci złożyli pozew przeciwko niemu za oszustwo.
Po bliższym przyjrzeniu się widać, że ikona tak naprawdę to '5GE' — co oznacza 5G Evolution, i nagle okazuje się, że to nie 5G, o którym myślimy, a jedynie etykieta wymyślona przez marketerów dla istniejącej sieci LTE z pewnymi ulepszeniami.
Chipsety
Firmy mikroelektroniki już zainwestowały wiele miliardów dolarów w 5G. Chipy dla modemów komórkowych 5G NR oferuje Samsung (), Qualcomm (), Huawei (). Modemy Intela, nowego gracza na tym rynku, oczekiwane są do końca 2019 roku. Modem Samsunga wykonany jest w technologii 10-nanometrowej FinFET i jest kompatybilny ze starszymi standardami, począwszy od 2G. W paśmie do 6 GHz zapewnia prędkość pobierania do 2 Gb/s, a przy użyciu pasma milimetrowego prędkość wzrasta do 6 Gb/s.
Telefony
Praktycznie wszyscy producenci telefonów z systemem Android ogłosili plany wdrożenia 5G. Samsung zaprezentował flagowy model Galaxy S10 w wersji 5G na wystawie Mobile World Congress pod koniec lutego 2019 roku. Już 5 kwietnia odbyła się jego premiera w Korei. W Stanach Zjednoczonych nowość pojawiła się 16 maja, a tam połączenie odbywa się z siecią operatora telekomunikacyjnego Verizon. Dołączają również inni operatorzy: AT&T ogłasza plany wydania wspólnie z Samsungiem drugiego smartfona w drugiej połowie 2019 roku.
W ciągu roku 5G-smartfony różnych producentów, głównie z wyższej półki, będą trafiać na półki sklepowe. Według niektórych szacunków nowa technologia podniesie koszt urządzeń o 200-300 USD i opłatę abonamentową o 10%.
Rynek konsumencki
Przykład 1. Internet domowy
Sieci 5G dostępu bezprzewodowego staną się alternatywą dla przewodowego internetu w naszych mieszkaniach. Jeśli wcześniej Internet docierał do naszego mieszkania za pomocą kabla, w przyszłości będzie pochodził z wieży 5G, a następnie router będzie go rozprowadzać przez tradycyjny domowy WiFi. Główne firmy zakończyły przygotowania, synchronizując wprowadzenie routerów do sprzedaży z rozbudową sieci 5G. Typowy router 5G kosztuje 700-900 $, zapewniając prędkość pobierania 2-3 Gbit/s. W ten sposób operatorzy rozwiązują problem „ostatniej mili” i zmniejszają koszty związane z kładzeniem kabli. Nie trzeba się obawiać, że istniejące sieci szkieletowe nie poradzą sobie z rosnącym ruchem z sieci 5G: prowadzone są badania nad wykorzystaniem istniejącego zapasu światłowodów – tzw. „czarnego włókna” (dark fibre).
Jak nowa sytuacja będzie odbierana przez użytkowników? Już teraz w niektórych krajach rezygnuje się z tradycyjnego domowego internetu stacjonarnego i przechodzi na LTE: okazuje się, że korzystanie z połączeń mobilnych jest szybsze i tańsze w każdej sytuacji, przy dostępnych wygodnych taryfach. Taka sytuacja ma miejsce na przykład w Korei. Jest to zilustrowane w tym komiksie:
Przykład 2. Masowe zgromadzenia ludzi
Z pewnością wszyscy mieliśmy do czynienia z taką nieprzyjemną sytuacją: przychodzisz na wystawę lub stadion i zniknął sygnał mobilny. I to właśnie w tym momencie, gdy chcesz opublikować zdjęcie lub napisać w mediach społecznościowych.
Stadiony
Samsung przeprowadził test we współpracy z japońskim operatorem telekomunikacyjnym KDDI na 30-tysięcznym stadionie baseballowym. Używając testowych tabletów 5G, udało się zademonstrować transmisję wideo w 4K jednocześnie na kilku tabletach.
Stadion to jeden z trzech scenariuszy zilustrowanych w strefie demonstracyjnej o nazwie 5G City, zlokalizowanej w Suwonie (siedziba Samsunga). Inne scenariusze obejmują środowisko miejskie (połączenie kamer wideo, czujników i informacji wizualnych) oraz szybki punkt dostępu do przesyłania wideo HD do poruszającego się autobusu: gdy przejeżdża obok punktu, film zdąży się pobrać.
Gry
Firma Niantic, twórca znanej na całym świecie gry geolokalizacyjnej Pokemon Go, ma wielkie nadzieje związane z 5G. Oto dlaczego: niedawno w grze pojawiły się wydarzenia grupowe – rajdy. W rajdach trzeba skoordynować się z innymi graczami, aby wspólnie pokonać szczególnie silnego Pokémona, co tworzy interesujące sytuacje w rzeczywistości. Główna legendarna lokalizacja gry, z najrzadszym Pokémonem Mewtwo, znajduje się na Times Square w Nowym Jorku – można sobie wyobrazić, jaka tłum tam się gromadzi, składający się nie tylko z łowców Pokémonów, ale także z turystów.
Rzeczywistość rozszerzona jest także postrzegana jako „killer app” dla 5G. W tym można zobaczyć koncepcję magicznych pojedynków w czasie rzeczywistym, które obecnie są opracowywane przez Niantic w nowej grze na motywach „Harry'ego Pottera”. Niantic już nawiązało partnerstwo z firmą Samsung oraz operatorami Deutsche Telekom i SK Telecom.
Transport
Interesujący jest również przypadek związany z pociągami. Pojawiła się idea wyposażyć kolej w łączność 5G dla rozrywki i komfortu pasażerów. Badania przeprowadzone przez Uniwersytet w Bristolu : aby osiągnąć wysoką prędkość bez zakłóceń, należy wyposażyć kolej w punkty dostępu co 800 metrów!
Przykład ustawienia punktów dostępu wzdłuż torów kolejowych
Testy przeprowadzono z powodzeniem na pociągu kursującym w pobliżu Tokio – testy te Samsung we współpracy z operatorem telekomunikacyjnym KDDI. W trakcie testów osiągnięto prędkość 1,7 Gb/s, a w trakcie testu pobrano wideo w rozdzielczości 8K oraz załadowano wideo 4K z kamery.
Nowe scenariusze wykorzystania
Ale to wszystko to raczej rozwiązanie już znanych nam problemów. Co nowego może nam zaoferować 5G?
Połączony samochód
Główną zaletą jest niski czas reakcji, pozwalający samochodom komunikować się ze sobą przy prędkościach do 500 km/h. W przeciwieństwie do ludzi-kierowców, samochody w końcu będą mogły porozumiewać się ze sobą lub z nieruchomą infrastrukturą na temat manewrów, czyniąc drogę bezpieczniejszą. Interesujące jest, że system będzie uwzględniał warunki pogodowe: wszyscy wiemy, że w śliskich warunkach hamowanie trwa dłużej, więc zasady w takim systemie powinny się zmieniać.
Europejska organizacja 5GAA (Automotive Association) już łączy ponad 100 kluczowych operatorów telekomunikacyjnych i producentów samochodów z całego świata, aby przyspieszyć wdrożenie systemu C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything). Główne cele stowarzyszenia to kompleksowe bezpieczeństwo drogowe i efektywność ruchu. Bezpieczeństwo mogą również zapewnić rowerzyści i piesi korzystający z smartfonów 5G. Uczestnicy ruchu na odległościach do 1 km będą mogli komunikować się bezpośrednio, a przy większych odległościach będą potrzebować zasięgu 5G. System umożliwi tworzenie korytarzy dla policji i karetek, przewiduje wymianę informacji sensorycznych między samochodami, zdalne sterowanie pojazdami i inne cuda. Po uruchomieniu C-V2X organizacja planuje zastosować zdobyte doświadczenia w 5G V2X, gdzie zmierzy się z przemysłem 4.0, inteligentnymi miastami i wszystkim, co porusza się przy użyciu 5G.
Przykłady sytuacji, które można rozwiązać za pomocą Connected Car. Źródło: Qualcomm.
5G umożliwi łączenie się nie tylko ziemskim pojazdom, ale także statkom powietrznym. W tym roku Samsung, wraz z hiszpańskim dostawcą internetu Orange, , jak zdalny pilot sterował lotem drona, korzystając z rozwiniętej sieci 5G i odbierając strumień wideo w wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym. Amerykański operator Verizon w 2017 roku kupił , obiecując miliony lotów podłączonych do 5G. Drony firmy są już podłączone do uruchomionej sieci 4G Verizon.
Przemysł 4.0
W ogóle termin „Industrie 4.0” został wymyślony w Niemczech dla ich programu modernizacji przemysłu. Stowarzyszenie (5G Alliance for Connected Industries and Automation) z siedzibą w Niemczech od 2018 roku łączy firmy produkcyjne zainteresowane wykorzystaniem 5G. Największe wymagania dotyczące opóźnienia i niezawodności stawiane są w kontroli ruchu przemysłowych robotów, gdzie czas reakcji nie może przekraczać dziesiątek mikrosekund. Obecnie problem ten rozwiązywany jest za pomocą Industrial Ethernet (np. standard EtherCAT). Może się okazać, że 5G powalczy również o tę niszę!
Inne zastosowania, takie jak komunikacja między kontrolerami przemysłowymi czy z operatorem, sieci czujników, są mniej wymagające. Obecnie większość z tych sieci korzysta z kabli, więc bezprzewodowy 5G wydaje się ekonomicznie uzasadnionym rozwiązaniem, dodatkowo umożliwiającym szybką rekonfigurację produkcji.
W praktyce, ekonomiczna opłacalność doprowadzi do wdrożenia 5G w najbardziej kosztownych obszarach związanych z wynagrodzeniem pracowników, na przykład operatorów wózków widłowych w fabrykach i magazynach. Na przykład, europejska firma inżynieryjna Acciona zaprezentowała . Wózek przesyła 360-stopniowy film w wysokiej rozdzielczości, a zdalny operator pomoże mu wyjechać z nieprzewidzianej sytuacji. Wózek korzysta z technologii 5G firm Cisco i Samsung.
Technologie zdalnej współpracy pójdą dalej. W tym roku zaprezentowano, jak ekspert chirurgiczny w czasie rzeczywistym obserwuje postęp operacji onkologicznej, odbywającej się setki kilometrów od niego, i pokazuje swoim kolegom, jak najlepiej przeprowadzić tę operację. W miarę ulepszania technologii, będzie mógł aktywniej uczestniczyć, bezpośrednio sterując narzędziami chirurgicznymi.
Internet rzeczy
Przede wszystkim, 5G rozwiąże problem licznych i słabo wspieranych standardów komunikacji Internetu rzeczy, który obecnie, naszym zdaniem, ogranicza rozwój w tej dziedzinie.
Tutaj 5G może zaproponować:
- Sieci ad hoc (bez routerów)
- Wysoka gęstość podłączonych urządzeń
- Wsparcie dla wąskopasmowych, energooszczędnych (ponad 10 lat na jednej baterii) komunikacji
Ale wydaje się, że dużym firmom wciąż bardziej interesują inne scenariusze niż Internet rzeczy. Szybkie przeszukiwanie internetu nie znalazło demonstrowanych przez kluczowych graczy zalet 5G dla Internetu rzeczy.
Zakończając ten temat, zwróćmy uwagę na następującą interesującą możliwość. Obecnie zależność od gniazdka lub potrzeba wymiany baterii ogranicza wybór "rzeczy". Niskoczęstotliwościowe indukcyjne ładowanie bezprzewodowe działa jedynie w odległości kilku centymetrów. 5G i jego kierunkowe fale milimetrowe umożliwią skuteczne ładowanie na odległości kilku metrów. Chociaż istniejące standardy tego nie przewidują, nie mamy wątpliwości, że inżynierowie wkrótce znajdą sposoby, aby skorzystać z tej możliwości!
Możliwości dla programistów
Jeśli temat Cię interesuje, to dokąd iść dalej?
Kontakty. Osobiście poznać graczy 5G będzie można na najbliższych rosyjskich konferencjach 29-30 maja, 30-31 maja, 25-27 czerwca, 24 października.
Z akademickich kontaktów warto zaznaczyć organizowany w Instytucie Problematyki Przekazu Informacji.
Finansowanie. Kluczowi gracze organizują konkursy dotyczące wykorzystania 5G w różnych dziedzinach. W Stanach Zjednoczonych Verizon niedawno ogłosił konkurs "Built on 5G Challenge" na Przemysł 4.0, imersywne aplikacje konsumenckie (VR/AR) i przełomowe pomysły (zmieniające nasze życie i pracę). Konkurs jest otwarty dla zarejestrowanych w USA małych firm, zgłoszenia przyjmowane są do 15 lipca. Pula nagród wynosi 1 mln USD. Zwycięzcy zostaną ogłoszeni w październiku tego roku.
Zatrudnienie. Oprócz czterech głównych operatorów komórkowych, w Rosji istnieje kilka firm planujących wdrożenie 5G w najbliższej przyszłości. Model biznesowy wiodącego dostawcy treści w Rosji i WNP, firmy CDNVideo – opłata za ilość otrzymanego ruchu. Wykorzystanie 5G, potencjalnie obniżającego tę cenę, pozwoli firmie zredukować koszty. Firma PlayKey promuje gry w chmurze, więc nic dziwnego, że także w jej planach jest wykorzystanie 5G.
Bardzo interesujące, ale mało znane narzędzie. W naszym przypadku za jego pomocą uruchomimy Juniper vMX i Cisco xRV9000 na zwykłym Ubuntu 20.04 LTS., wydaje się, będzie odgrywać kluczową rolę w infrastrukturze. Amerykańska wspiera 5G. Europejska łączy tych, którzy chcą obejść własnościowe komponenty infrastruktury 5G. Kierunki strategiczne obejmują wsparcie dla modemów 5G oraz systemów zdefiniowanych programowo, sieci heterogeniczne oraz Internet rzeczy. wirtualizuje sieci dostępu radiowego (Radio Access Networks). Realizacja rdzenia sieci jest dostępna od .
Autorzy:
Stanislav Polonski — Kierownik działu badań i rozwoju w Centrum Badań Samsung
Tatiana Wołkowa — Autor programu nauczania projektu IoT Akademia Samsung, specjalistka ds. programów odpowiedzialności społecznej w Centrum Badań Samsung
Źródło: habr.com
