Chiar și fără a avea cunoștințe avansate despre generațiile standardelor de comunicații mobile, oricine ar răspunde, probabil, că 5G este mai bun decât 4G/LTE. În realitate, lucrurile nu sunt atât de simple. Hai să înțelegem în ce anume 5G este mai bun/scris și care sunt cele mai promițătoare cazuri de utilizare având în vedere starea actuală.
Așadar, ce ne promite tehnologia 5G?
- Creșterea vitezei de zeci de ori până la 10 Gb/s,
- Reducerea întârzierilor (latență) de zeci de ori până la 1 ms,
- Creșterea fiabilității conexiunii (packet loss error rate) de sute de ori,
- Creșterea densității (numărului) de dispozitive conectate (106/km2).
Toate acestea sunt realizate prin:
- multicanalitate (paralelism pe frecvențe și stații de bază)
- creșterea frecvențelor purtătoare de la unități la zeci de GHz (capacitatea de transmisie a canalului radio)
5G va îmbunătăți 4G în domeniile tradiționale, fie că este vorba despre descărcarea instantanee a unui film sau despre conexiunea fără întreruperi a unei aplicații mobile cu cloudul. Asta înseamnă că ne putem desprinde de livrarea internetului în apartamentele și birourile noastre prin cablu?
5G va asigura o conectivitate universală între tot și toate, combinând protocoale de bandă largă, consumatoare de energie, cu cele de bandă îngustă, economisitoare de energie. Aceasta va deschide noi direcții inaccesibile pentru 4G: comunicarea între mașini pe uscat și în aer, Industria 4.0, Internetul lucrurilor. , ca afacerea 5G să genereze 3,5 trilioane de dolari până în 2035 și să creeze 22 milioane de locuri de muncă.
Sau nu?..
(Sursa imaginii - Reuters)
Cum funcționează
Cine știe cum funcționează 5G – poate sări peste această secțiune.
Așadar, ce ne permite să obținem o transmitere atât de rapidă a datelor în 5G, așa cum a fost descris mai sus? Căci nu este magie, nu-i așa?
Creșterea vitezei va avea loc datorită trecerii la o bandă de frecvențe mai înalte – anterior neutilizată. De exemplu, frecvența WiFi de acasă este de 2,4 sau 5 GHz, frecvența rețelelor mobile existente se află în jur de 2,6 GHz. Dar când vorbim despre 5G, vorbim de zeci de gigahertzi. Totul este simplu: crește frecvența, scade lungimea de undă – iar viteza de transmitere a datelor devine de mai multe ori mai mare. Și pe deasupra, rețeaua este descărcată.
Iată un comic ilustrativ, cum a fost și cum va fi. A fost:
Va fi:
(Sursa: IEEE Spectrum, )
Frecvența a crescut de zeci de ori, așa că în 5G ne confruntăm cu unde de millimetri mult mai scurte. Acestea trec greu prin obstacole. Din acest motiv, arhitectura rețelei se schimbă. Dacă anterior conexiunea era asigurată prin turnuri mari și puternice care ofereau semnal pe distanțe mari, acum va fi necesar să amplasăm multe turnuri compacte și de putere redusă peste tot. Și să aveți în vedere că, în orașe mari, vor fi necesare foarte multe stații din cauza suprapunerii semnalului de către clădiri înalte. Astfel, pentru a echipa eficient New Yorkul cu rețele 5G, este nevoie de un număr de stații de bază de 500 (!) de ori mai mare.
După Pentru operatorii ruși, trecerea la 5G va costa aproximativ 150 de miliarde de ruble – o sumă comparabilă cu cheltuielile anterioare pentru desfășurarea rețelei 4G, chiar și în ciuda faptului că costul unei stații 5G este mai mic decât cele existente (dar sunt necesare multe).
Există două variante de rețea: fixă și mobilă.
Pentru a reduce consumul de energie și a crește distanța, se folosește tehnologia beamforming — formarea dinamică a fasciculului radio pentru un anumit abonat. Cum se face acest lucru? Stația de bază își amintește de unde și când a venit semnalul (acesta provine nu doar de la telefonul dumneavoastră, ci și din reflexia de la obstacole) și, prin metode de triangulație, își calculează poziția aproximativă, apoi construiește o traiectorie optimă pentru semnal.
Sursa: Analysys Mason
Cu toate acestea, necesitatea de a urmări poziția receptorului duce la o mică diferență între variantele de utilizare fixă și mobilă, iar acest lucru se reflectă în diversele cazuri de utilizare (despre aceasta – mai încolo, în secțiunea 'Piața de consum').
Status Quo
Standarde
Nu există un standard acceptat pentru 5G. Tehnologia este prea complexă și sunt prea mulți jucători cu interese contradictorii.
Standardul 5G NR (New Radio) este în stadiul propunerii cu un grad înalt de detaliere, dezvoltat de organizația 3GPP (3rd Generation Partnership Project), care a dezvoltat standardele anterioare, 3G și 4G. 5G utilizează două domenii de frecvență radio (Frequency Range, sau pe scurt, FR). FR1 oferă frecvențe sub 6GHz. FR2 – peste 24GHz, așa-numitele unde milimetrice. Standardul suportă receptoare staționare și în mișcare și reprezintă o continuare a standardului 5GTF de la gigantul telecom american Verizon, care susține doar recepțioarele staționare (acest tip de servicii se numește rețele fixe de acces wireless).
Standardul 5G NR prevede trei scenarii de utilizare:
- eMBB (Broadband Mobil Îmbunătățit) – definește internetul mobil pe care îl cunoaștem;
- URLLC (Comunicații Ultra Fiabile cu Latentă Mică) — cerințe ridicate privind viteza de răspuns și fiabilitatea – pentru astfel de aplicații ca transportul autonom sau chirurgia la distanță;
- mMTC (Comunicații de Tip Mașină Masivă) – suport pentru un număr mare de dispozitive care trimit date rar – cazuri de Internet al Lucrurilor, adică contoare și dispozitive de monitorizare.
Sau pe scurt, același lucru în imagine:
Este important să înțelegem că industria se va concentra inițial pe implementarea eMBB, ca fiind cel mai familiar scenariu cu fluxuri de venituri existente.
Implementare
Din 2018 se desfășoară teste la scară largă, de exemplu, la Jocurile Olimpice de iarnă din Coreea de Sud. În 2018, toți operatorii ruși din «grupul de patru mari» au desfășurat teste. MTS a testat noua tehnologie – au fost verificate scenariile de utilizare cu apeluri video, transmisia de video înaltă definiție, jocuri online.
În Coreea de Sud, 5G a fost oferit pentru prima dată în lume la sfârșitul anului 2018. Implementarea comercială globală este așteptată în anul următor, 2020. În etapa inițială, va fi utilizată banda FR1 ca o extensie a rețelelor 4G existente. Conform planurilor Ministerului Comunicațiilor, 5G va începe să apară în orașele cu populație de peste un milion de locuitori din 2020. În practică, desfășurarea la scară largă va fi determinată de capacitatea de monetizare, iar acest aspect al 5G nu este încă clar.
Care este problema cu monetizarea? Problema este că operatorii telecom nu văd momentan motive suficiente pentru a face modernizări: rețelele existente fac față sarcinilor. Și acum 5G este considerat mai degrabă din perspectiva marketingului: pictograma 5G de pe ecranul telefonului va fi cu siguranță un avantaj în ochii abonaților operatorului telecom. Un caz care scoate în evidență acest lucru este anecdotic cu , plasându-i un simbol 5G fără o rețea reală, pentru care concurenții i-au intentat un proces pentru înșelăciune.
Dacă ne uităm mai atent, se vede că simbolul este de fapt „5GE” — care se decriptază ca 5G Evolution, și, dintr-o dată, acesta nu este 5G-ul la care ne gândim, ci doar o etichetă inventată de marketing pentru rețeaua LTE existentă cu anumite îmbunătățiri.
Chipuri
Companiile de microelectronică au investit deja miliarde de dolari în 5G. Chipurile pentru modemurile mobile 5G NR sunt oferite de Samsung (), Qualcomm (), Huawei (). Modemurile de la Intel, un nou jucător pe această piață, sunt așteptate până la sfârșitul anului 2019. Modemul Samsung este fabricat pe tehnologia FinFET de 10nm și este compatibil cu standardele mai vechi, începând de la 2G. În banda de frecvență de până la 6GHz, oferă viteze de descărcare de până la 2Gb/s, iar în banda milimetrică viteza crește până la 6Gb/s.
Telefoane
Practic toți producătorii de telefoane Android au anunțat planuri de implementare a 5G. Samsung a prezentat flagship-ul Galaxy S10 în versiunea 5G la Mobile World Congress la sfârșitul lunii februarie 2019. Deja pe 5 aprilie a fost lansat în Coreea. În SUA, a apărut pe 16 mai, iar acolo conexiunea are loc cu rețeaua operatorului telecom Verizon. Alte operatori, cum ar fi AT&T, anunță planuri de a lansa împreună cu Samsung un al doilea smartphone în a doua jumătate a anului 2019.
Pe parcursul anului, vor ajunge pe rafturile magazinelor smartphone-uri 5G de la diferiți producători, în principal din gama premium. Potrivit unor estimări, noua tehnologie va crește costul dispozitivelor cu 200-300 de dolari și taxa de abonament cu 10%.
Piața de consum
Caz 1. Internet acasă
Rețelele 5G de acces wireless fix vor deveni o alternativă la internetul prin cablu în apartamentele noastre. Dacă înainte internetul ajungea în apartamentul nostru prin cablu, în viitor va veni dintr-o antenă 5G, iar apoi routerul va distribui conexiunea prin WiFi-ul obișnuit de acasă. Companiile de top au finalizat pregătirile, sincronizând lansarea routerelor cu desfășurarea rețelelor 5G. Un router 5G tipic costă între 700-900 USD și oferă viteze de descărcare de 2-3 Gbps. Astfel, operatorii vor rezolva problema „ultimei mile” și vor reduce costurile pentru instalarea cablurilor. Nu trebuie să ne temem că rețelele de bază existente nu vor face față creșterii de trafic care va veni din rețelele 5G: se desfășoară cercetări privind utilizarea rețelelor de fibră optică existente — așa-numita „fibră neagră”.
Cât de nouă va fi această situație pentru utilizatori? Deja în unele țări oamenii renunță la internetul tradițional prin cablu și trec la LTE: se dovedește a fi mai rapid și mai ieftin să folosești serviciile mobile în orice situație, având planuri convenabile. O astfel de situație s-a creat, de exemplu, în Coreea. Și este ilustrată în acest comic:
Caz 2. Agregarea de persoane
Cu siguranță toți am fost în acea situație neplăcută: ajungeți la o expoziție sau pe stadion și semnalul mobil dispare. Și tocmai în acel moment când doriți să postați o fotografie sau să scrieți pe rețelele sociale.
Stadioane
Samsung a efectuat un test împreună cu operatorul japonez de telecomunicații KDDI pe un stadion de baseball cu 30.000 de locuri. Folosind tablete 5G de testare, au demonstrat streaming de video 4K simultan pe mai multe tablete.
Stadionul este unul dintre cele trei scenarii ilustrate în zona demo numită 5G City, situată în orașul Suwon (sediul Samsung). Alte scenarii includ un mediu urban (conectarea camerelor video, senzorilor și panourilor informaționale) și un hotspot de mare viteză pentru livrarea video HD într-un autobuz în mișcare: în timp ce trece pe lângă punct, filmul se descarcă.
Jocuri
Compania Niantic, creatorul jocului geolocalizat cunoscut la nivel mondial Pokemon Go, are așteptări mari de la 5G. Iată de ce: recent, în joc au apărut evenimente de grup – raiduri. În raiduri, trebuie să vă coordonați cu alți jucători pentru a înfrunta împreună un Pokémon deosebit de puternic, ceea ce creează situații interesante în viața reală. Astfel, locația legendară principală a jocului, cu cel mai rar Pokémon Mewtwo, se află pe Times Square din New York – puteți imagina ce mulțime se poate aduna acolo, formată nu doar din vânători de pokemoni, ci și din turiști.
Realitatea augmentată este, de asemenea, considerată o «killer app» pentru 5G. În acest puteți vedea conceptul de dueluri magice în timp real, care sunt în prezent dezvoltate de Niantic într-un nou joc bazat pe „Harry Potter”. Niantic a încheiat deja parteneriate cu Samsung și operatorii Deutsche Telekom și SK Telecom.
Transport
În cele din urmă, cazul cu trenurile este interesant. A apărut ideea de a echipa căile ferate cu conectivitate 5G pentru a oferi divertisment și confort pasagerilor. O cercetare a Universității Bristol : pentru a obține o conectivitate de mare viteză și fără întrerupere, este necesar să echipați căile ferate cu puncte de acces la o distanță de 800 de metri între ele!
Un exemplu de cum ar trebui amplasate punctele de acces de-a lungul căii ferate
Au fost efectuate teste cu succes pe un tren care circula în apropierea Tokyo – acestea de Samsung împreună cu operatorul telecom KDDI. În timpul testelor, s-a atins o viteză de 1,7 Gbps, iar în procesul testului a avut loc descărcarea unui video 8K și încărcarea unui video 4K de la cameră.
Noi scenarii de utilizare
Dar toate acestea sunt, mai degrabă, soluții pentru problemele deja cunoscute. Ceva cu adevărat nou poate oferi 5G?
Mașina conectată
Principalul avantaj – latență mică, care permite mașinilor să comunice între ele la viteze de până la 500 km/h. Spre deosebire de șoferii umani, mașinile vor putea în sfârșit să negocieze între ele sau cu infrastructura statică pentru manevre, făcând drumul mai sigur. Interesant este că sistemul va lua în considerare condițiile meteorologice: toată lumea știe că pe vreme alunecoasă distanța de frânare este mai lungă, astfel încât regulile dintr-un astfel de sistem ar trebui să se schimbe.
Asociația Europeană 5GAA (Automotive Association) reunește deja peste 100 de importante companii de telecomunicații și producători auto din întreaga lume, având ca scop accelerarea desfășurării sistemului C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything). Obiectivele principale ale asociației sunt siguranța rutieră cuprinzătoare și eficiența traficului. Bicicliștii și pietonii cu smartphone-uri 5G pot, de asemenea, conta pe siguranță. Participanții la trafic, la distanțe de până la 1 km, se pot conecta direct, iar la distanțe mai mari, vor avea nevoie de acoperire 5G. Sistemul va permite crearea de coridoare pentru poliție și ambulanțe, va prevedea schimbul de senzori între mașini, conducerea de la distanță și alte minuni. După lansarea C-V2X, asociația plănuiește să aplice experiența acumulată în 5G V2X, având în vedere industria 4.0, orașele inteligente și tot ce se mișcă folosind 5G.
Exemple de situații care pot fi rezolvate cu ajutorul Connected Car. Sursa: Qualcomm.
5G va permite conectarea nu doar a vehiculelor terestre, ci și a aeronavelor. Anul acesta, Samsung, împreună cu furnizorul de internet spaniol Orange, , ca pilot la distanță a controlat zborul unui drone, folosind rețeaua 5G desfășurată, primind un flux video de înaltă definiție în timp real. Furnizorul american Verizon a cumpărat în 2017 , promițând milioane de zboruri conectate 5G. Dronele companiei sunt deja conectate la rețeaua 4G lansată de Verizon.
Industria 4.0
În general, expresia „Industrie 4.0” a fost creată în Germania pentru programul său de modernizare a industriei. Asociația (5G Alliance for Connected Industries and Automation) cu sediul în Germania, reunește din 2018 companii de producție interesate de utilizarea 5G. Cele mai mari cerințe de latență și fiabilitate sunt impuse în controlul traficului roboților industriali, unde timpul de răspuns nu poate depăși câteva zeci de microsecunde. Acum, aceasta se rezolvă prin Ethernet industrial (de exemplu, standardul EtherCAT). Este foarte probabil ca 5G să se lupte și pentru acest segment!
Alte aplicații, cum ar fi comunicarea între controlere industriale sau cu operatori umani, rețelele de senzori, sunt mai puțin exigente. În prezent, majoritatea acestor rețele utilizează cabluri, așa că 5G-ul wireless pare a fi o soluție economică justificată, permițând în plus o reconfigurare rapidă a producției.
În practică, fezabilitatea economică va duce la implementarea 5G în cele mai costisitoare domenii legate de plata muncii umane, cum ar fi șoferii de stivuitor în fabrici și depozite. Astfel, compania europeană de inginerie Acciona a demonstrat . Căruciorul transmite video 360 în rezoluție înaltă, un operator de la distanță o va ajuta să iasă dintr-o situație neprevăzută. Căruciorul folosește tehnologiile 5G de la Cisco și Samsung.
Tehnologiile de colaborare la distanță vor avansa. În acest an, a fost demonstrat cum un chirurg expert observă în timp real desfășurarea unei operații oncologice, care are loc la mulți kilometri distanță, și le arată colegilor săi cum să efectueze mai bine operația. Pe măsură ce tehnologia avansează, el va putea să participe mai activ, gestionând direct instrumentele chirurgicale.
Internetul lucrurilor
În primul rând, 5G va rezolva problema multor standarde de comunicare IoT, numeroase și slab susținute, care acum, în opinia noastră, limitează dezvoltarea acestui domeniu.
Aici, 5G poate oferi următoarele:
- Rețele ad hoc (fără routere)
- Densitate mare de dispozitive conectate
- Suport pentru comunicații de bandă îngustă, eficiente din punct de vedere energetic (10+ ani cu o singură baterie)
Dar se pare că marile afaceri sunt mai interesate de alte scenarii, diferite de Internetul lucrurilor. O căutare rapidă pe internet nu a găsit demonstrații din partea jucătorilor cheie ale avantajelor 5G pentru Internetul lucrurilor.
Terminând acest subiect, să ne concentrăm asupra unei oportunități interesante. În prezent, dependența de priză sau necesitatea de a schimba baterii limitează alegerea "lucrurilor". Încărcarea wireless inductivă de frecvență joasă funcționează doar pe distanțe de câțiva centimetri. 5G și undele sale direcționate de milimetri vor permite o încărcare eficientă pe distanțe de câțiva metri. Deși standardele existente nu prevăd asta, nu avem nicio îndoială că inginerii vor găsi curând modalități de a profita de această oportunitate!
Oportunități pentru dezvoltatori
Dacă v-a interesat subiectul, încotro să vă îndreptați mai departe?
Conexiuni. Puteți întâlni în persoană jucătorii 5G la cele mai apropiate conferințe din Rusia 29-30 mai, 30-31 mai, 25-27 iunie, 24 octombrie.
Dintre contactele academice, se evidențiază organizat de Institutul Problemelor de Transmitere a Informației.
Finanțare. Actorii cheie desfășoară concursuri pentru utilizarea 5G în diverse domenii. În Statele Unite, Verizon a lansat recent concursul „Built on 5G Challenge” pentru Industria 4.0, aplicații imersive pentru consumatori (VR/AR) și idei inovatoare (care ne schimbă stilul de viață și de muncă). Concursul este deschis pentru micile afaceri înregistrate în SUA, iar înscrierile sunt acceptate până pe 15 iulie. Fondul de premii este de 1 milion de dolari. Câștigătorii vor fi anunțați în octombrie anul acesta.
Angajare. Pe lângă cei patru mari operatori de telefonie mobilă, există în Rusia câteva companii care plănuiesc implementarea 5G în viitorul apropiat. Modelul de afaceri al principalului furnizor de servicii de livrare de conținut din Rusia și CSI, CDNVideo, se bazează pe plata pentru volumul de trafic primit. Utilizarea 5G, care ar putea reduce acest cost, va permite companiei să scadă cheltuielile. Compania PlayKey promovează jocurile în cloud, așa că nu e surprinzător că are și planuri de utilizare a 5G.
Open Source, aparent, va juca un rol cheie în infrastructură. Americanul susține 5G. Europeanul reunește pe cei care doresc să evite componentele proprietare din infrastructura 5G. Direcțiile strategice includ sprijinirea modemurilor 5G și sistemelor definite prin software, rețele omogene și Internetul Lucrurilor. virtualizează rețelele de acces radio (Radio Access Networks). Implementarea nucleului de rețea este disponibilă de la .
Autori:
Stanislav Polonsky — Șeful departamentului de cercetări și dezvoltări avansate la Centrul de Cercetare Samsung
Tatiana Volkova — Autorul programului educațional al proiectului IoT Academia Samsung, specialist în programele de responsabilitate socială corporativă la Centrul de Cercetare Samsung
Sursa: habr.com
