Навіть не особливо розбираючись у поколіннях стандартів мобільного зв'язку, будь-який напевно відповість, що 5G - це крутіше, ніж 4G/LTE. Насправді все не так просто. Давайте розберемося, в чому все ж таки 5G краще/гірше і які кейси його використання найбільш перспективні з урахуванням поточного стану.
Отже, що нам обіцяє технологія 5G?
- Збільшення швидкості в десятки разів до 10 Гб/с,
- Зменшення затримок (латентність) у десятки разів до 1 мс,
- Збільшення надійності підключення (packet loss error rate) у сотні разів,
- Збільшення густини (числа) підключених пристроїв (106/км2).
Все це досягається за рахунок:
- багатоканальності (паралелізм за частотами та базовими станціями)
- збільшення несучих радіочастот з одиниць до десятків ГГц (пропускна здатність радіоканалу)
5G покращить 4G у традиційних областях, чи то миттєве скачування фільму, чи безшовний зв'язок мобільного додатка з хмарою. Отже, можна буде відмовитися від доставки Інтернету до наших квартир та офісів по кабелю?
5G забезпечить універсальний зв'язок всього з усім, поєднуючи широкосмугові, енерговитратні протоколи з вузькосмуговими, енергозберігаючими. Це відкриє нові, недоступні для 4G напрямки: міжмашинний зв'язок на землі та у повітрі, Індустрію 4.0, Інтернет речей. 5G-бізнес заробить $3.5T до 2035 року і створить 22 млн. робочих місць.
Чи ні?..
(Джерело картинки - Reuters)
Як це працює
Хто знає, як працює 5G - пропустіть цей розділ.
Отже, за рахунок чого ми зможемо досягти такої швидкої передачі в 5G, як описано вище? Адже це не магія якась?
Збільшення швидкості відбудеться завдяки переходу в більш високий частотний діапазон раніше незадіяний. Наприклад, частота домашнього WiFi становить 2,4 чи 5 ГГц, частота існуючих мобільних мереж не більше 2,6 ГГц. Але коли ми говоримо про 5G, то тут одразу йдеться про десятки гігагерц. Все просто: збільшуємо частоту, зменшуємо довжину хвилі – і швидкість передачі стає в рази більше. Та й мережа загалом розвантажується.
Ось наочний комікс як було і як буде. Було:
Буде:
(Джерело: IEEE Spectrum, )
Частота підвищилася в десятки разів, тому в 5G ми маємо справу зі набагато короткішими, міліметровими хвилями. Вони погано проходять через перешкоди. І через це змінюється і архітектура мережі. Якщо раніше зв'язок нам забезпечувався великими потужними вежами, які давали зв'язок на великих відстанях, то тепер необхідно буде розставити багато компактних малопотужних вишок всюди. І враховуйте, що у великих містах станцій потрібно дуже багато, за рахунок перекриття сигналу висотними будинками. Так, для впевненого оснащення Нью-Йорка мережами 5G потрібно кількість базових станцій у 500 (!) разів.
За російських операторів, перехід на 5G для них буде коштувати приблизно 150 мільярдів рублів - вартість, порівнянна з попередніми витратами на розгортання 4G-мережі, і це навіть незважаючи на те, що вартість станції 5G нижче існуючих (але їх потрібно багато).
Два варіанти мережі: стаціонарний та мобільний
Для зменшення енергоспоживання та підвищення дальності використовується технологія формування променя - динамічне формування радіопроменя для конкретного абонента. Як це робиться? Базова станція запам'ятовує, звідки і скільки прийшов сигнал (він виходить не тільки від вашого телефону, але і як відбиття від перешкод), і за допомогою методів тріангуляції вираховує ваше зразкове місце, а потім будує оптимальну траєкторію сигналу.
Джерело: Analysys Mason
Однак необхідність відстежувати положення приймача призводить до невеликої відмінності для фіксованого та мобільних варіантів використання, і це знаходить своє відображення у різних кейсах використання (про це – трохи далі, у розділі «Споживчий ринок»).
Існуючий стан
стандарт
Прийнятого стандарту 5G немає. Занадто складна технологія та надто багато гравців із суперечливими інтересами.
У стадії пропозиції високого ступеня опрацювання знаходиться стандарт 5G NR (Нове радіо) від організації 3GPP (Проект партнерства третього покоління), яка розробила попередні стандарти, 3G та 4G. 5G використовує два радіочастотних діапазони (Діапазон частот, або скорочено просто FR). FR1 пропонує частоти нижче 6ГГц. FR2 - вище 24ГГц, т.зв. міліметрові хвилі. Стандарт підтримує стаціонарні та рухомі приймачі та є подальшим розвитком стандарту 5GTF від американського телеком-гіганта Verizon, що підтримує тільки стаціонарні приймачі (такий вид послуг називається мережами фіксованого бездротового доступу).
Стандарт 5G NR передбачає три сценарії використання:
- eMBB (enhanced Mobile Broadband) – визначає звичний нам мобільний інтернет;
- URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) - великі вимоги до швидкості відгуку та надійності - для таких завдань, як автономний транспорт або дистанційна хірургія;
- mMTC (massive Machine Type Communications) – підтримка великої кількості пристроїв, які надсилають дані рідко – кейс Інтернету речей, тобто лічильників та пристроїв моніторингу.
Або коротко, те саме на картинці:
Важливо розуміти, що індустрія сфокусується на впровадженні eMBB, як більш зрозумілому сценарії з існуючими грошовими потоками.
впровадження
З 2018 року проводиться масштабне тестування, наприклад, на зимових Олімпійських іграх у Південній Кореї. 2018-го всі російські оператори «великої четвірки» провели тести. МТС тестувала нову технологію - Перевірялися сценарії використання з відеодзвінками, передачею відео високого дозволу, онлайн-іграми.
У Південній Кореї, вперше у світі, 5G сервіс був запропонований наприкінці 2018 року. Всесвітнє комерційне впровадження очікується наступного, 2020-го року. На початковому етапі використовуватиметься діапазон FR1 як надбудова до існуючих 4G мереж. Згідно з планами Мінкомзв'язку, у Росії 5G почне з'являтися у містах-мільйонниках із 2020-го року. На практиці масштабне розгортання визначатиметься можливістю монетизації, і цей аспект 5G поки не зрозумілий.
У чому проблема з монетизацією? Справа в тому, що телеком-оператори поки не бачать вагомих підстав для модернізації: існуючі мережі справляються з навантаженням. І зараз 5G розглядається ними скоріше в площині маркетингу: іконка 5G на екрані телефону однозначно буде плюсом в очах абонентів телеком-оператора. Показовий анекдотичний випадок з , що розмістили іконку 5G за відсутності реальної мережі, за що конкуренти подали йому судовий позов за обман.
Якщо добре придивитися, то видно, що іконка насправді «5GE» – розшифровується як 5G Evolution, і раптово це не 5G, про який ми думаємо, а лише лейбл, придуманий маркетологами для існуючої LTE-мережі з деякими поліпшеннями.
чіпсети
Мікроелектронні компанії вже інвестували багато мільярдів доларів у 5G. Мікросхеми для 5G NR стільникових модемів пропонує Samsung (), Qualcomm (), Huawei (). Модеми від Intel, нового гравця на цьому ринку, очікуються до кінця 2019 року. Модем Samsung виконаний за 10нм FinFET технології, і сумісний зі старими стандартами, починаючи з 2G. У частотному діапазоні до 6ГГц забезпечує швидкість завантаження до 2 Гб/c, під час використання міліметрового діапазону швидкість зростає до 6 Гб/c.
Телефони
Майже всі виробники телефонів на Android оголосили про плани впровадження 5G. Samsung представила флагман Galaxy S10 у версії для 5G на виставці Mobile World Congress наприкінці лютого 2019 р. Вже 5 квітня відбувся його реліз у Кореї. У США новинка з'явилася 16 травня, і там з'єднання відбувається із мережею телеком-оператора Verizon. Підтягуються й інші оператори: AT&T заявляє про плани випустити разом із Samsung другий смартфон у другій половині 2 року.
Протягом року 5G-смартфони різних виробників, переважно преміального класу, надходитимуть на прилавки магазинів. За деякими оцінками, нова технологія збільшить вартість пристроїв на $200-300 і абонентську плату на 10%.
Споживацький ринок
Кейс 1. Домашній Інтернет
5G-мережі фіксованого бездротового доступу стануть альтернативою дротовому інтернету в наших квартирах. Якщо раніше Інтернет надходив до нашої квартири кабелем, то в майбутньому — з 5G-вишки, а далі вже роутер роздаватиме його через звичний домашній WiFi. Основні компанії-гравці закінчили підготовку, синхронізуючи випуск роутерів у продаж із розгортанням 5G мереж. Типовий 5G-роутер коштує $700-900 і забезпечує швидкість скачування 2-3 Гбіт/сек. Таким чином, оператори вирішать для себе проблему «останньої милі» і зменшать витрати на прокладання проводів. І не треба боятися, що існуючі магістральні мережі не впораються з тим збільшеним трафіком, який надходитиме від мереж 5G: ведуться дослідження щодо використання існуючого резерву оптоволоконних мереж — так зване «чорне волокно» (dark fibre).
Наскільки новинкою цей сценарій буде для користувачів? Вже зараз у деяких країнах перестають користуватися традиційним домашнім дротовим інтернетом, і переходять на LTE: виявляється швидше та дешевше користуватися мобільним зв'язком у всіх ситуаціях, за наявності зручних тарифів. Така ситуація, наприклад, склалася у Кореї. І вона проілюстрована ось у цьому коміксі:
Кейс 2. Масові скупчення людей
Напевно, всі бували в такій неприємній ситуації: приходьте на виставку або стадіон, і зникає мобільний зв'язок. І це саме в той момент, коли хочеться запостити фото чи написати у соцмережі.
стадіони
Samsung провів тест разом із японським телеком-оператором KDDI на 30-тисячному бейсбольному стадіоні. Використовуючи тестові 5G-планшети, вдалося продемонструвати стрімінг 4K-відео одночасно на кількох планшетах.
Стадіон – один із трьох сценаріїв, які проілюстровані у демозоні під назвою 5G City, розташованої у м. Сувоні (штаб-квартирі Samsung). Інші сценарії включають міське середовище (підключення відеокамер, сенсорів та інформаційних табло) і високошвидкісну точку доступу для доставки HD-відео в автобус, що рухається: поки він проїжджає повз крапку, встигає скачатися фільм.
Ігри
Компанія Niantic – творець всесвітньо відомої геолокаційної гри Pokemon Go – покладає великі надії на 5G. І ось чому: нещодавно у грі з'явилися групові події – рейди. У рейдах вам потрібно скоординуватися з іншими гравцями, щоб спільними зусиллями перемогти особливо сильного покемона, і це створює цікаві ситуації у реальному житті. Так, головна легендарна локація гри з найрідкіснішим покемоном Mewtwo знаходиться на Таймс-Сквер у Нью Йорку - можете собі уявити, який там здатний зібратися натовп, що складається не тільки з мисливців на покемонів, але й просто туристів.
Доповнену реальність також розглядають як killer app для 5G. В цьому ви можете побачити концепт магічних поєдинків у реальному часі, які зараз розробляються Niantic у новій грі за мотивами Гаррі Поттера. Niantic вже уклала партнерство з Samsung та операторами Deutsche Telecom та SK Telecom.
Транспорт
Зрештою, цікавий кейс із поїздами. З'явилася ідея забезпечити залізницю зв'язком 5G для розваг та комфорту пасажирів. Дослідження Брістольського університету Для того, щоб досягти високошвидкісного безшовного зв'язку, потрібно оснастити залізницю точками доступу на відстані 800 метрів один від одного!
Приклад того, як потрібно розставити точки доступу вздовж залізничного полотна
Були успішно проведені тести поїздом, що курсував біля Токіо – їх а Samsung разом із телеком-оператором KDDI. У ході тестів була досягнута швидкість 1,7 Гбіт/с, і в процесі тесту відбулося завантаження 8К-відео і завантаження 4К-відео з камери.
Нові сценарії використання
Але все це скоріше вирішення вже звичних нам завдань. А що принципово нового може запропонувати нам 5G?
Підключений автомобіль
Основна перевага - невелика латентність, що дозволяє машинам зв'язуватися один з одним на швидкостях до 500 км/год. На відміну від людей-водіїв, машини нарешті зможуть домовитися між собою або з нерухомою інфраструктурою про маневри, зробивши дорогу безпечнішою. Цікаво, що система враховуватиме погодні умови: всі знають, що в слизьку погоду гальмівний шлях довший, тому й правила у такій системі мають змінюватися.
Європейська асоціація 5GAA (Automotive Association) вже об'єднує понад 100 основних телеком- та автовиробників по всьому світу з метою прискорити розгортання системи C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything). Основні завдання асоціації – всеосяжна дорожня безпека та ефективність руху. На безпеку можуть розраховувати також велосипедисти та пішоходи з 5G-смартфонами. Учасники руху на відстанях до 1 км зможуть зв'язатись безпосередньо, при великих відстанях їм знадобиться наявність 5G-покриття. Система забезпечить створення коридорів для поліції та швидкої допомоги, передбачить обмін сенсорикою між машинами, віддалене водіння та інші дива. Після запуску C-V2X асоціація планує застосувати отриманий досвід у 5G V2X, де замахнеться на індустрію 4.0, розумні міста та все, що рухається, використовує 5G.
Приклади ситуацій, які можна вирішити за допомогою Connected Car. Джерело: Qualcomm.
5G дозволить зв'язуватися не тільки наземним машинам, а й літальним апаратам. Цього року Samsung, спільно з іспанським інтернет-провайдером Orange, Як віддалений пілот керував польотом дрона, користуючись розгорнутою 5G мережею, і отримуючи відеопотік високої роздільної здатності в реальному часі. Американський провайдер Verizon у 2017-му купив обіцяє мільйони 5G-підключених польотів Дрони компанії вже підключені до запущеної мережі 4G Verizon.
Промисловість 4.0
Взагалі вираз «Industrie 4.0» вигадали в Німеччині для своєї програми модернізації промисловості. Асоціація (5G Alliance for Connected Industries and Automation) зі штаб-квартирою у Німеччині поєднує з 2018 року виробничі компанії, зацікавлені у використанні 5G. Найбільші вимоги до латентності та надійності пред'являють контроль руху промислових роботів, де час відгуку не може перевищувати десятків мікросекунд. Наразі це вирішується за допомогою Industrial Ethernet (наприклад, стандарт EtherCAT). Цілком ймовірно, що 5G побореться і за цю нішу!
Інші застосування, такі як зв'язок між індустріальними контролерами або з людиною-оператором, сенсорні мережі менш вимогливі. Сьогодні більшість таких мереж використовують кабель, так що бездротовий 5G є економічно виправданим рішенням, що також дозволяє швидку реконфігурацію виробництва.
На практиці економічна доцільність призведе до впровадження 5G у найбільш дорогих областях, пов'язаних з оплатою людської праці, наприклад водіїв навантажувачів на фабриках та складах. Так, європейська інженерна компанія Acciona продемонструвала . Візок передає 360-відео у високій роздільній здатності, віддалений оператор допоможе їй виїхати з непередбаченої ситуації. Візок використовує 5G-технології Cisco та Samsung.
Технології дистанційної співпраці підуть далі. Цього року було продемонстровано, як хірург-експерт у реальному часі спостерігає за ходом онкологічної операції, що відбувається за багато кілометрів від нього, та показує своїм колегам, як краще робити операцію. У міру вдосконалення технології він зможе взяти активнішу участь, вже безпосередньо керуючи хірургічними інструментами.
Інтернет речей
Насамперед, 5G вирішить проблему з численними та погано підтримуваними стандартами зв'язку Інтернету речей, яка зараз, на нашу думку, обмежує розвиток цього напряму.
Тут 5G може запропонувати таке:
- Ad hoc мережі (без роутерів)
- Висока щільність підключених пристроїв
- Підтримка вузькосмугових, енергоефективних (10+ років на одній батарейці) комунікацій
Але схоже, великому бізнесу поки що цікавіші інші, відмінні від Інтернету сценарії. Побіжний пошук по інтернету не знайшов демонстрацій ключовими гравцями переваг 5G для Інтернету речей.
Завершуючи цю тему, звернемо увагу на цікаву можливість. Зараз залежність від розетки чи необхідність заміни батарей обмежує вибір «речей». Низькочастотна індуктивна бездротова зарядка працює лише на відстані кілька сантиметрів. 5G та його спрямовані міліметрові хвилі дозволять ефективну зарядку на відстанях у кілька метрів. Хоча існуючі стандарти це й не обговорюють, ми не сумніваємося, що інженери скоро знайдуть способи скористатися цією можливістю!
Можливості для розробників
Якщо вас зацікавила тема, то куди рухатись далі?
зв'язки. Особисто познайомитись із 5G-гравцями можна буде на найближчих російських конференціях 29-30 травня, 30-31 травня, 25-27 червня, 24 жовтня.
З академічних контактів слід зазначити проведений в Інституті проблем Передачі інформації.
Фінансування. Ключові гравці проводять конкурси з використання 5G у різних галузях. У США Verizon нещодавно конкурс «Built on 5G Challenge» на Індустрію 4.0, іммерсивні споживчі додатки (VR/AR), та проривні ідеї (що змінюють наш спосіб життя та роботи). Конкурс відкритий для зареєстрованого у США малого бізнесу, заявки приймаються до 15 липня. Призовий фонд - $1M. Переможців буде названо у жовтні цього року.
Підбір персоналу. Крім стільникових операторів великої четвірки, у Росії є кілька компаній, які планують використання 5G у найближчому майбутньому. Бізнес-модель провідного провайдера доставки контенту в Росії та СНД компанії CDNVideo – плата за обсяг отриманого трафіку. Використання 5G, що потенційно знижує цю ціну, дозволить компанії знизити витрати. Компанія PlayKey просуває ігри у хмарі, не дивно, що й у її планах використання 5G.
Open Source, мабуть, відіграватиме ключову роль в інфраструктурі. Американський підтримує 5G. Європейський поєднує бажаючих обійти пропрієтарні компоненти 5G інфраструктури. Стратегічні напрямки включають підтримку 5G модемів і software-defined систем, гетерогенні мережі та інтернет речей. віртуалізує мережі радіодоступу (Radio Access Networks). Реалізація ядра мережі доступна від .
Автори:
Станіслав Полонський - Начальник управління перспективних досліджень та розробок Дослідницького центру Samsung
Тетяна Волкова - Автор навчальної програми проекту IoT Академія Samsung, спеціаліст з програм корпоративної соціальної відповідальності Дослідницького центру Samsung
Джерело: habr.com