🥇5G – var och vem behöver det?

Även utan att vara särskilt insatt i generationerna av mobilnät, så skulle de flesta nog svara att 5G är bättre än 4G/LTE. Men i själva verket är allt inte så enkelt. Låt oss ta en närmare titt på vad 5G faktiskt är bättre/sämre på och vilka användningsfall som är mest lovande med hänsyn till det aktuella tillståndet.

Så, vad lovar teknologin 5G?

Ökning av hastigheten tiodubbelt upp till 10 Gbit/s,
Minskning av fördröjningar (latens) tiodubbelt ner till 1 ms,
Ökning av anslutningssäkerhet (packet loss error rate) hundratals gånger,
Ökning av densitet (antalet) anslutna enheter (106/km2).

Allt detta uppnås genom:

multikanalighet (parallellitet över frekvenser och basstationer)
ökning av bärarfrekvenser från en till tiotals GHz (kapacitet för radiokanal)

5G kommer att förbättra 4G inom traditionella områden, vare sig det handlar om omedelbar nedladdning av filmer eller sömlös kommunikation mellan mobilapplikationen och molnet. Kommer vi alltså kunna avstå från att få Internet till våra lägenheter och kontor via kabel?

5G kommer att möjliggöra universell kommunikation mellan allt och alla, och förena bredbands- och energikrävande protokoll med smala, energisparande. Detta kommer att öppna nya områden som 4G inte kan nå: maskin-till-maskin kommunikation på land och i luften, Industri 4.0, Internet of Things. Det förväntas, att 5G-verksamheten kommer att generera $3,5 biljoner fram till 2035 och skapa 22 miljoner arbetstillfällen.
Eller kanske inte?..

(Källa till bilden - Reuters)

Hur det fungerar

Den som vet hur 5G fungerar kan hoppa över detta avsnitt.

Så, hur kan vi uppnå så snabba dataöverföringar i 5G, som beskrivits ovan? Är det verkligen magi?

Ökningen av hastigheten kommer att ske genom att flytta till ett högre frekvensområde – ett tidigare oanvänt. Till exempel, frekvensen för hemwi-fi är 2,4 eller 5 GHz, medan de befintliga mobilnäten ligger på omkring 2,6 GHz. Men när vi pratar om 5G handlar det direkt om tiotals gigahertz. Det är enkelt: högre frekvens, kortare våglängd – och dataöverföringshastigheten ökar kraftigt. Och nätverket blir mindre belastat i allmänhet.

Här är en tydlig tecknad serie som visar hur det var och hur det kommer att bli. Det var:

Det kommer att bli:

(Källa: IEEE Spectrum, Allt du behöver veta om 5G)

Frekvensen har ökat tiodubbelt, därför har vi i 5G att göra med mycket kortare, millimetervågor. De går dåligt genom hinder. Och på grund av detta förändras även nätverksarkitekturen. Tidigare fick vi uppkoppling via stora kraftfulla master som gav anslutning över långa avstånd, men nu måste många kompakta lågströmsmaster placeras överallt. Och tänk på att i stora städer kommer det att behövas många stationer på grund av signalöverlappar från höghus. Så, för att på ett tillförlitligt sätt utrusta New York med 5G-nät behöver man att öka antalet basstationer 500 (!) gånger.

uttalandet beräkningar För ryska operatörer kommer övergången till 5G att kosta ungefär 150 miljarder rubel – en kostnad som motsvarar tidigare utgifter för att bygga ut 4G-nät, och detta trots att kostnaden för en 5G-station är lägre än för befintliga (men det behövs många).

Två nätverksalternativ: fast och mobilt

För att minska energiförbrukningen och öka räckvidden används teknologin beamforming – dynamisk strålkonstruktion för en specifik abonnent. Hur görs detta? Basstationen kommer ihåg varifrån och vid vilken tidpunkt signalen kom (den kommer inte bara från din telefon, utan även som reflektioner från hinder), och med hjälp av trianguleringsmetoder beräknar den din ungefärliga position, och bygger sedan en optimal signalväg.

Källa: Analysys Mason

Men behovet av att spåra mottagarens position leder till en liten skillnad för fasta och mobila användningsalternativ, vilket återspeglas i olika användningsfall (om detta – lite senare, i avsnittet 'Konsummarknad').

Status Quo

Standarder

Det finns ingen antagen 5G-standard. Tekniken är för komplicerad och det finns för många aktörer med motsägelsefulla intressen.

Standarden 5G NR (New Radio) från organisationen 3GPP (3rd Generation Partnership Project), som har utvecklat de tidigare standarderna, 3G och 4G. 5G använder två frekvensband (Frequency Range, eller helt enkelt FR). FR1 erbjuder frekvenser under 6 GHz. FR2 - över 24 GHz, så kallade millimetervågor. Standarden stödjer både stationära och rörliga mottagare och är en vidareutveckling av 5GTF-standarden från den amerikanska telekomjätten Verizon, som endast stödde stationära mottagare (denna typ av tjänster kallas fasta trådlösa nätverk).

Standard 5G NR föreslår tre användningssituationer:

eMBB (utvecklad mobil bredband) - definierar den mobila internetuppkoppling vi är vana vid;
URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) - stora krav på svarstider och pålitlighet - för uppgifter som autonom transport eller fjärrkirurgi;
mMTC (massive Machine Type Communications) - stöd för ett stort antal enheter som sällan skickar data - fallet Internet of Things, det vill säga mätare och övervakningsenheter.

Eller kort sagt, detsamma på bilden:

Det är viktigt att förstå att industrin först kommer att fokusera på att implementera eMBB, som är en mer förståelig situation med befintliga kassaflöden.

Implementering

Sedan 2018 genomförs omfattande tester, till exempel vid vinter-OS i Sydkorea. År 2018 genomförde alla ryska operatörer i "den stora fyran" tester. MTS testade den nya teknologin i samarbete med Samsung — användningssituationerna med videosamtal, högupplöst videoöverföring och onlinespel testades.

I Sydkorea, för första gången i världen, erbjöds 5G-tjänsten i slutet av 2018. En global kommersiell lansering förväntas under nästa år, 2020. I det inledande skedet kommer FR1-bandet att användas som ett komplement till befintliga 4G-nät. Enligt planerna från kommunikationsministeriet kommer 5G att börja dyka upp i storstäder i Ryssland från 2020. I praktiken kommer den omfattande utrullningen att avgöras av möjligheten till intäktsgenerering, och denna aspekt av 5G är fortfarande otydlig.

Vad är då problemet med intäktsgenereringen? Det handlar om att telekomoperatörerna ännu inte ser några avgörande skäl för att göra en uppgradering: befintliga nät hanterar belastningen väl. Just nu uppfattar de 5G snarare ur ett marknadsföringsperspektiv: 5G-ikonen på telefonens skärm kommer tveklöst att ses som en fördel av telekomoperatörens abonnenter. Ett talande anekdotiskt fall är med operatören AT&T, som placerade 5G-ikonen utan någon verklig nätverksanslutning, vilket ledde till att konkurrenterna stämde dem för bedrägeri.

Om man ser noga på det kan man se att ikonen faktiskt säger "5GE" — vilket står för 5G Evolution, och plötsligt handlar det inte om 5G som vi tänker, utan bara om en etikett som marknadsförarna har skapat för den befintliga LTE-nätverksinfrastrukturen med vissa förbättringar.

Chipset

Mikroelektronikföretag har redan investerat många miljarder dollar i 5G. Chipset för 5G NR mobila modem erbjuds av Samsung (Exynos Modem 5100), Qualcomm (Snapdragon X55-modem), Huawei (Balong 5000). Modem från Intel, en ny aktör på denna marknad, förväntas lanseras i slutet av 2019. Samsungs modem är tillverkat med 10nm FinFET-teknik och är kompatibelt med äldre standarder, från 2G och uppåt. I frekvensområdet upp till 6 GHz erbjuder det nedladdningshastigheter på upp till 2 Gb/s, medan hastigheten ökar till 6 Gb/s i millimetervågsområdet.

Telefoner

Nästan alla telefonproducenter på Android har tillkännagett planer på att implementera 5G. Samsung presenterade sin flaggskeppsmodell Galaxy S10 i en 5G-version på Mobile World Congress i slutet av februari 2019. Den släpptes i Korea den 5 april. I USA blev den tillgänglig den 16 maj, där den ansluter till telekomoperatören Verizon. Andra operatörer drar också på sig 5G: AT&T har tillkännagett planer på att släppa en andra smartphone tillsammans med Samsung under andra halvåret 2019.
Under året kommer 5G-smartphones från olika tillverkare, främst i premiumklassen, att finnas i butikshyllorna. Enligt vissa uppskattningar kommer den nya tekniken att öka kostnaden för enheterna med $200-300 och abonnemangsavgiften med 10%.

Konsumentmarknaden

Fall 1. Hemmainternet

5G-nätverk för fast trådlös åtkomst kommer att bli ett alternativ till fast internet i våra hem. Om internet tidigare kom in i vår lägenhet via kabel, så kommer det i framtiden att levereras från en 5G-mast, och sedan kommer routern att sprida det via det vanliga hemmet WiFi. De stora aktörerna har avslutat förberedelserna och synkroniserat lanseringen av routrar med utbyggnaden av 5G-nät. En typisk 5G-router kostar mellan 700-900 dollar och ger nedladdningshastigheter på 2-3 Gbit/s. Därmed kommer operatörerna att lösa sin

Hur nytt kommer detta scenario att vara för användarna? Redan nu slutar man använda traditionellt fast internet i vissa länder, och går över till LTE: det visar sig vara snabbare och billigare att använda mobilnätet i alla situationer, när det finns bra abonnemang. En sådan situation har till exempel uppstått i Korea. Och det illustreras i denna teckning:

Fall 2. Masskoncentrationer av människor

Alla har säkert varit med om den otrevliga situationen: ni kommer till en utställning eller stadion och mobilnätet försvinner. Precis i den stund ni vill posta en bild eller skriva något på sociala medier.

Arenor

Samsung genomförde ett test tillsammans med den japanska teleoperatören KDDI på en baseballarena med 30 000 platser. Genom att använda testversioner av 5G-surfplattor kunde man demonstrera streaming av 4K-video samtidigt på flera plattor.

Arenan är ett av tre scenarier som illustreras i demozonen som kallas 5G City, belägen i Suwon (Samsung huvudkontor). Andra scenarier inkluderar en stads miljö (anslutning av kameror, sensorer och informationsskärmar) samt en höghastighetspunkt för leverans av HD-video till en rörlig buss: medan den passerar en punkt hinner en film laddas ner.

Spel

Företaget Niantic – skaparen av det världsberömda geolokaliseringsspelet Pokemon Go – har stora förhoppningar på 5G. Och här är varför: nyligen introducerades gruppaktiviteter i spelet – raid. I raids behöver du samordna dig med andra spelare för att tillsammans besegra en särskilt stark pokemon, och detta skapar intressanta situationer i verkliga livet. Den mest legendariska platsen i spelet med den sällsynta pokémon Mewtwo ligger på Times Square i New York – kan du föreställa dig vilken folkmassa som kan samlas där, bestående inte bara av pokémonjägare utan även av turister.

Augmented reality ses också som en "killer app" för 5G. I detta klipp kan du se konceptet av magiska strider i realtid som just nu utvecklas av Niantic i ett nytt spel baserat på "Harry Potter". Niantic har redan ingått partnerskap med Samsung och operatörerna Deutsche Telecom och SK Telecom.

Transport

Till sist är det intressant med tåg. Idén har kommit upp att förse järnvägen med 5G-anslutning för nöje och komfort för passagerarna. En studie från universitetet i Bristol visade: för att uppnå hög hastighet och sömlös anslutning måste järnvägen förses med hotspots som ligger 800 meter från varandra!

Ett exempel på hur hotspots ska placeras längs järnvägsspåret

Tester har framgångsrikt genomförts på ett tåg som går runt Tokyo – dessa genomfördesav Samsung tillsammans med telekomoperatören KDDI. Under testerna uppnåddes en hastighet av 1,7 Gbit/s, och under testet laddades 8K-video ner och 4K-video laddades upp från kameran.

Nya användningsscenarier

Men allt detta är snarare lösningar på uppgifter vi redan är bekanta med. Vad kan 5G erbjuda oss som är helt nytt?

Ansluten bil

Den största fördelen – låg latens – gör det möjligt för bilar att kommunicera med varandra med hastigheter upp till 500 km/h. Till skillnad från människor bakom ratten, kommer bilar äntligen att kunna kommunicera med varandra eller med stillastående infrastruktur om manövrar, vilket gör vägarna säkrare. Intressant nog kommer systemet att ta hänsyn till väderförhållanden: alla vet att bromssträckan blir längre under hala förhållanden, så reglerna i ett sådant system måste också förändras.

Den europeiska 5GAA (Automotive Association) förenar redan över 100 ledande telekommunikations- och biltillverkare världen över för att påskynda utbyggnaden av C-V2X-systemet (Cellular Vehicle-To-Everything). Föreningens huvuduppgifter är omfattande vägtrafiksäkerhet och effektivitet. Även cyklister och fotgängare med 5G-smartphones kan räkna med säkerhet. Deltagare i trafiken på avstånd upp till 1 km kommer att kunna kommunicera direkt, medan de vid större avstånd behöver 5G-täckning. Systemet kommer att skapa korridorer för polis och ambulans, förutsätta sensorutbyte mellan bilar, fjärrstyrd körning och andra underverk. Efter lanseringen av C-V2X planerar föreningen att använda den erfarenhet som samlats för 5G V2X, där man siktar mot industri 4.0, smarta städer och allt som rör sig med 5G.

Exempel på situationer som kan lösas med Connected Car. Källa: Qualcomm.

5G kommer att möjliggöra kommunikation inte bara för markfordon utan även för flygande apparater. I år har Samsung, tillsammans med den spanska internetleverantören Orange, visade, som fjärrpilot styrde flygningen av en drönare, använder den utbyggda 5G-nätverket och mottar högupplöst videoström i realtid. Den amerikanska leverantören Verizon köpte 2017- drönaroperatören Skyward, och lovar miljontals 5G-uppkopplade flygningar. Företagets drönare är redan anslutna till det lanserade 4G-nätet från Verizon.

Industri 4.0

Uttrycket "Industrie 4.0" myntades i Tyskland för deras program för modernisering av industrin. Föreningen 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) med huvudkontor i Tyskland har sedan 2018 samlat tillverkningsföretag som är intresserade av att använda 5G. De största kraven på latens och pålitlighet ställs av kontrollen av industrirobotar, där svarstiden inte får överskrida tiotals mikroskunder. Just nu löses det med hjälp av Industrial Ethernet (till exempel standarden EtherCAT). Det är mycket troligt att 5G även kommer att tävla om detta segment!

Andra tillämpningar, som kommunikation mellan industriella kontroller eller med människan-operatören, sensor nätverk, är mindre krävande. För närvarande använder de flesta av dessa nätverk kabel, varför trådlös 5G framstår som en ekonomiskt motiverad lösning, dessutom möjliggör snabb omkonfigurering av produktionen.

I praktiken kommer den ekonomiska värt att föra in 5G inom de mest kostsamma områdena, relaterade till betalning av mänsklig arbetskraft, som till exempel truckförare på fabriker och lager. Den europeiska ingenjörsfirman Acciona har demonstrerat den autonoma robotvagnen MIR200. Vagnen överför 360-graders video i hög upplösning, en fjärroperatör kommer att hjälpa den att hantera oförutsedda situationer. Vagnen använder 5G-teknologier från Cisco och Samsung.

Teknologier för distanssamarbete går längre. I år har det visats hur en expertkirurg i realtid följer en onkologisk operation som pågår flera kilometer bort och visar sina kollegor hur man bättre utför operationen. Med teknologins förbättringar kommer han kunna delta mer aktivt, direkt styrande kirurgiska verktyg.

Internet of Things

Först och främst kommer 5G att lösa problemet med många och dåligt stödja standarder för kommunikation i Internet of Things, vilket vi nu anser begränsar utvecklingen inom detta område.

Här kan 5G erbjuda följande:

Ad hoc-nätverk (utan routrar)
Hög densitet av anslutna enheter
Stöd för smalbandiga, energieffektiva (10+ år på ett batteri) kommunikationer

Men det verkar som om stora företag är mer intresserade av andra scenarier, som skiljer sig från Internet of Things. En snabb sökning på internet hittade inga demonstrationer från nyckelaktörer om fördelarna med 5G för Internet of Things.

När vi avslutar detta ämne, låt oss uppmärksamma en intressant möjlighet. Idag begränsar beroendet av ett vägguttag eller behovet av att byta batterier valet av "ting". Lågfrequent induktiv trådlös laddning fungerar bara på avstånd av några centimeter. 5G och dess riktade millimetervågor kommer att möjliggöra effektiv laddning på avstånd av flera meter. Även om de befintliga standarderna inte specificerar detta, tvekar vi inte att ingenjörer snart kommer hitta sätt att utnyttja denna möjlighet!

Möjligheter för utvecklare

Om du är intresserad av ämnet, vart ska du gå härifrån?

Kontakter. Du kan personligen träffa 5G-aktörer vid de närmaste ryska konferenserna Skolkovo Startup Village 2019 29-30 maj, Wireless Russia Forum: 4G, 5G & Beyond 2019 30-31 maj, CEBIT Russia 2019 25-27 juni, Smart Cars & Roads 2019 24 oktober.

Från akademiska kontakter bör nämnas Moscow Telecommunication Seminar som hålls på Institutet för Informationsöverföringsproblem.

Finansiering. Nyckelspelare genomför tävlingar för att använda 5G inom olika områden. I USA har Verizon nyligen tillkännagav lanserat tävlingen "Built on 5G Challenge" för Industri 4.0, immersiva konsumentapplikationer (VR/AR) och banbrytande idéer (som förändrar vårt sätt att leva och arbeta). Tävlingen är öppen för registrerade småföretag i USA, ansökningar tas emot fram till den 15 juli. Prispotten är $1M. Vinnarna kommer att meddelas i oktober i år.

Anställning. Förutom de fyra stora mobiloperatörerna finns det flera företag i Ryssland som planerar att använda 5G inom en snar framtid. Affärsmodellen för den ledande innehållsleverantören i Ryssland och CIS, CDNVideo, baseras på trafikvolym. Användning av 5G, som potentiellt minskar denna kostnad, möjliggör för företaget att sänka sina utgifter. Företaget PlayKey främjar molngaming, och det är inte överraskande att de också planerar att använda 5G.

Öppen källkod, kommer förmodligen att spela en nyckelroll i infrastrukturen. Den amerikanska Open Networking Foundation stödjer 5G. Den europeiska OpenAirInterface Software Alliance samlar de som vill undvika proprietära komponenter i 5G-infrastrukturen. Strategiska riktningar inkluderar stöd för 5G-modem och mjukvarudefinierade system, homogena nätverk och Internet of Things. O-RAN Alliance virtualiserar Radio Access Networks. Implementeringen av kärnätverket är tillgängligt från Open5GCore.

Författare:

Stanislav Polonsky - Chef för framtida forskning och utveckling vid Samsung Research Center