5G – где и кому он нужен?

У нас местами и 3G не везде ловит, а уже на подходе 5G. Если спросить любого обывателя, чем отличаются разные поколения стандартов мобильной связи, многие из нас кроме увеличения скорости Интернета ничего не назовут. На самом деле там гораздо больше инноваций, чем принято думать. Давайте разбираться с новым форматом 5G, который в скором будущем появиться и у нас в Эстонии.

Даже не особо разбираясь в поколениях стандартов мобильной связи, любой наверняка ответит, что 5G — это круче, чем 4G/LTE. На самом деле, все не так просто. Давайте узнаем, в чём всё же 5G лучше/хуже и какие кейсы его использования наиболее перспективны с учетом текущего состояния.

Итак, что же нам обещает технология 5G? Если вкратце, то:

• Увеличение скорости в десятки раз до 10 Гб/с,
• Уменьшение задержек (латентность) в десятки раз до 1 мс,
• Увеличение надежности подключения (packet loss error rate) в сотни раз,
• Увеличение плотности (числа) подключенных устройств (106/км2).

Всё это достигается за счет:

• многоканальности (параллелизм по частотам и базовым станциям)
• увеличения несущих радиочастот с единиц до десятков ГГц (пропускная способность радиоканала)

5G улучшит 4G в традиционных областях, будь то мгновенное скачивание фильма, или бесшовная связь мобильного приложения с облаком. Значит, можно будет отказаться от доставки Интернета в наши квартиры и офисы по кабелю? 

5G обеспечит универсальную связь всего со всем, объединяя широкополосные, энергозатратные протоколы с узкополосными, энергосберегающими. Это откроет новые, недоступные для 4G направления: межмашинную связь на земле и в воздухе, Индустрию 4.0, Интернет вещей. Ожидается, что 5G-бизнес заработает $3.5T к 2035 году и создаст 22 млн. рабочих мест. 
Или нет?..

(Источник картинки — Reuters)

Как это работает

Кто знает, как работает 5G – пропустите этот раздел.

Итак, за счет чего мы сможем достигнуть такой быстрой передачи данных в 5G, как описано выше? Ведь это не магия какая-нибудь?

Увеличение скорости произойдет благодаря переходу в более высокий частотный диапазон – ранее незадействованный. Для примера, частота домашнего WiFi составляет 2,4 или 5 ГГц, частота существующих мобильных сетей в пределах 2,6 ГГц. Но когда мы говорим о 5G, то здесь сразу речь о десятках гигагерц. Всё просто: увеличиваем частоту, уменьшаем длину волны – и скорость передачи данных становится в разы больше. Да и сеть в целом разгружается.

Вот наглядный комикс, как было и как будет. Было:

Будет:

(Источник: IEEE Spectrum, Everything You Need to Know About 5G)

Частота повысилась в десятки раз, поэтому в 5G мы имеем дело с гораздо более короткими, миллиметровыми волнами. Они плохо проходят через препятствия. И в связи с этим меняется и архитектура сети. Если раньше связь нам обеспечивалась большими мощными вышками, которые давали связь на больших расстояниях, то теперь необходимо будет расставить много компактных маломощных вышек повсюду. И учитывайте, что в крупных городах станций потребуется очень много, за счет перекрытия сигнала высотными домами. Так, для уверенного оснащения Нью-Йорка сетями 5G нужно увеличить количество базовых станций в 500 (!) раз.

По оценкам российских операторов, переход на 5G для них будет стоить примерно 150 миллиардов рублей – стоимость, сопоставимая с предыдущими расходами на развертывание 4G-сети, и это даже несмотря на то, что стоимость станции 5G ниже существующих (но их нужно много).

Два варианта сети: стационарный и мобильный

Для уменьшения энергопотребления и повышения дальности используется технология beamforming — динамическое формирование радиолуча для конкретного абонента. Как же это делается? Базовая станция запоминает, откуда и во сколько пришел сигнал (он исходит не только от вашего телефона, но и как отражение от препятствий), и при помощи методов триангуляции высчитывает ваше примерное местоположение, а затем строит оптимальную траекторию сигнала.

Источник: Analysys Mason

Однако необходимость отслеживать положение приемника приводит к небольшому различию для фиксированного и мобильных вариантов использования, и это находит свое отражение в различных кейсах использования (об этом – чуть далее, в разделе «Потребительский рынок»). 

Status Quo

Стандарты

Принятого стандарта 5G нет. Слишком сложна технология и слишком много игроков с противоречивыми интересами.

В стадии предложения высокой степени проработки находится стандарт 5G NR (New Radio) от организации 3GPP (3rd Generation Partnership Project), которая разработала предыдущие стандарты, 3G и 4G. 5G использует два радиочастотных диапазона (Frequency Range, или сокращенно просто FR). FR1 предлагает частоты ниже 6ГГц. FR2 – выше 24ГГц, т.н. миллиметровые волны. Стандарт поддерживает стационарные и движущиеся приемники и является дальнейшим развитием стандарта 5GTF от американского телеком-гиганта Verizon, поддерживающего только стационарные приемники (такой вид услуг называется сетями фиксированного беспроводного доступа).

Стандарт 5G NR предусматривает три сценария использования: 

• eMBB (enhanced Mobile Broadband) – определяет привычный нам мобильный интернет;
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) — большие требования к скорости отклика и надежности – для таких задач, как автономный транспорт или дистанционная хирургия;
• mMTC (massive Machine Type Communications) – поддержка большого количества устройств, которые отправляют данные редко – кейс Интернета вещей, то есть счетчиков и устройств мониторинга.

Или кратко, то же самое на картинке:

Важно понимать, что сначала индустрия сфокусируется на внедрении eMBB, как более понятном сценарии с существующими денежными потоками.

Внедрение

С 2018 проводится масштабное тестирование, например, на зимних Олимпийских играх в Южной Корее. В 2018-м все российские операторы «большой четверки» провели тесты. МТС тестировала новую технологию совместно с Samsung — проверялись сценарии использования с видеозвонками, передачей видео высокого разрешения, онлайн-играми. 

В Южной Корее, впервые в мире, 5G сервис был предложен в конце 2018-го. Всемирное коммерческое внедрение ожидается в следующем, 2020-ом году. На начальном этапе будет использоваться диапазон FR1 как надстройка к существующим 4G сетям. Согласно планам Минкомсвязи, в России 5G начнет появляться в городах-миллионниках с 2020-го года. На практике, масштабное развертывание будет определяться возможностью монетизации, и этот аспект 5G пока не ясен.

В чем же проблема с монетизацией? Дело в том, что телеком-операторы пока не видят весомых оснований для модернизации: существующие сети вполне справляются с нагрузкой. И сейчас 5G рассматривается ими скорее в плоскости маркетинга: иконка 5G на экране телефона однозначно будет плюсом в глазах абонентов телеком-оператора. Показателен анекдотический случай с оператором AT&T, разместившим иконку 5G при отсутствии реальной сети, за что конкуренты предъявили ему судебный иск за обман. 

Если хорошо присмотреться, то видно, что иконка на самом деле «5GE» — расшифровывается как 5G Evolution, и внезапно это не 5G, о котором мы думаем, а всего лишь лейбл, придуманный маркетологами для существующей LTE-сети с некоторыми улучшениями.

Чипсеты

Микроэлектронные компании уже инвестировали многие миллиарды долларов в 5G. Микросхемы для 5G NR сотовых модемов предлагает Samsung (Exynos Modem 5100), Qualcomm (Snapdragon X55 modem), Huawei (Balong 5000). Модемы от Intel, нового игрока на этом рынке, ожидаются к концу 2019. Модем Samsung выполнен по 10нм FinFET технологии, и совместим со старыми стандартами, начиная с 2G. В частотном диапазоне до 6ГГц обеспечивает скорость загрузки до 2 Гб/c, при использовании миллиметрового диапазона скорость возрастает до 6 Гб/c.

Телефоны

Практически все производители телефонов на Android объявили о планах внедрения 5G. Samsung представила флагман Galaxy S10 в версии для 5G на выставке Mobile World Congress в конце февраля 2019 г. Уже 5 апреля состоялся его релиз в Корее. В США новинка появилась 16 мая, и там соединение происходит с сетью телеком-оператора Verizon. Подтягиваются и другие операторы: AT&T заявляет о планах выпустить совместно с Samsung второй смартфон во 2-й половине 2019 года.
В течение года 5G-смартфоны разных производителей, в основном премиального класса, будут поступать на прилавки магазинов. По некоторым оценкам новая технология увеличит стоимость устройств на $200-300 и абонентскую плату на 10%.

Потребительский рынок

Кейс 1. Домашний Интернет

5G-сети фиксированного беспроводного доступа станут альтернативой проводному интернету в наших квартирах. Если раньше Интернет поступал в нашу квартиру по кабелю, то в будущем — из 5G-вышки, а дальше уже роутер будет раздавать его через привычный домашний WiFi. Основные компании-игроки закончили подготовку, синхронизируя выпуск роутеров в продажу с развертыванием 5G сетей. Типичный 5G-роутер стоит $700-900, и обеспечивает скорость скачивания 2-3 Гбит/сек. Таким образом операторы решат для себя проблему «последней мили» и уменьшат затраты на прокладку проводов. И не нужно бояться, что существующие магистральные сети не справятся с тем увеличившимся трафиком, который будет поступать от сетей 5G: ведутся исследования по использованию существующего резерва оптоволоконных сетей — так называемое «черное волокно» (dark fibre). 

Насколько в новинку этот сценарий будет для пользователей? Уже сейчас в некоторых странах перестают пользоваться традиционным домашним проводным интернетом, и переходят на LTE: оказывается быстрее и дешевле пользоваться мобильной связью во всех ситуациях, при наличии удобных тарифов. Такая ситуация, к примеру, сложилась в Корее. И она проиллюстрирована вот в этом комиксе:

Кейс 2. Массовые скопления людей

Наверняка все бывали в такой неприятной ситуации: приходите на выставку или стадион, и пропадает мобильная связь. И это именно в тот момент, когда хочется запостить фото или написать в соцсети. 

Стадионы

Samsung провел тест совместно с японским телеком-оператором KDDI на 30-тысячном бейсбольном стадионе. Используя тестовые 5G-планшеты, удалось продемонстрировать стриминг 4K-видео одновременно на нескольких планшетах.

Стадион – один из трех сценариев, которые проиллюстрированы в демозоне под названием 5G City, расположенной в г. Сувоне (штаб-квартире Samsung). Другие сценарии включают в себя городскую среду (подключение видеокамер, сенсоров и информационных табло) и высокоскоростную точку доступа для доставки HD-видео в движущийся автобус: пока он проезжает мимо точки, успевает скачаться фильм.

Игры

Компания Niantic – создатель всемирно известной геолокационной игры Pokemon Go – возлагает большие надежды на 5G. И вот почему: не так давно в игре появились групповые события – рейды. В рейдах вам нужно скоординироваться с другими игроками, чтобы совместными усилиями победить особенно сильного покемона, и это создает интересные ситуации в реальной жизни. Так, главная легендарная локация игры с самым редким покемоном Mewtwo находится на Таймс-Сквер в Нью Йорке – можете себе представить, какая там способна собраться толпа, состоящая не только из охотников на покемонов, но и просто туристов.

Дополненную реальность также рассматривают как «killer app» для 5G. В этом ролике вы можете увидеть концепт магических поединков в реальном времени, которые сейчас разрабатываются Niantic в новой игре по мотивам «Гарри Поттера». Niantic уже заключила партнёрство с Samsung и операторами Deutsche Telecom и SK Telecom. 

Транспорт

Наконец, интересен кейс с поездами. Появилась идея снабдить железную дорогу связью 5G для развлечений и комфорта пассажиров. Исследование Бристольского университета показало: чтобы добиться высокоскоростной бесшовной связи, нужно оснастить железную дорогу точками доступа на расстоянии 800 метров друг от друга!

Пример того, как нужно расставить точки доступа вдоль железнодорожного полотна

Были успешно проведены тесты на поезде, курсирующем возле Токио – их проводила Samsung совместно с телеком-оператором KDDI. В ходе тестов была достигнута скорость 1,7 ГБит/с, и в процессе теста произошло скачивание 8К-видео и загрузка 4К-видео с камеры.

Новые сценарии использования

Но всё это — скорее решение уже привычных нам задач. А что принципиально нового может предложить нам 5G?

Connected car

Основное преимущество – маленькая латентность, позволяющая машинам связываться друг с другом на скоростях до 500 км/ч. В отличии от людей-водителей, машины наконец смогут договориться между собой или с неподвижной инфраструктурой о маневрах, сделав дорогу безопасней. Интересно, что система будет учитывать погодные условия: все знают, что в скользкую погоду тормозной путь длиннее, поэтому и правила в такой системе должны меняться.

Европейская ассоциация 5GAA (Automotive Association) уже объединяет более 100 основных телеком- и автопроизводителей по всему миру с целью ускорить развертывание системы C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything). Основные задачи ассоциации – всеобъемлющая дорожная безопасность и эффективность движения. На безопасность могут рассчитывать также велосипедисты и пешеходы с 5G-смартфонами. Участники движения на расстояниях до 1 км смогут связаться напрямую, при больших расстояниях им понадобится наличие 5G-покрытия. Система обеспечит создание коридоров для полиции и скорой помощи, предусмотрит обмен сенсорикой между машинами, удаленное вождение и прочие чудеса. После запуска C-V2X ассоциация планирует применить полученный опыт в 5G V2X, где замахнется на индустрию 4.0, умные города и все, что движется использует 5G.

Примеры ситуаций, которые можно разрешить при помощи Connected Car. Источник: Qualcomm.

5G позволит связываться не только наземным машинам, но и летательным аппаратам. В этом году Samsung, совместно с испанским интернет-провайдером Orange, продемонстрировал, как удаленный пилот управлял полетом дрона, пользуясь развернутой 5G сетью, и получая видеопоток высокого разрешения в реальном времени. Американский провайдер Verizon в 2017-м купил оператора дронов Skyward, обещает миллионы 5G-подключенных полетов. Дроны компании уже подключены к  запущенной 4G-сети Verizon.

Индустрия 4.0

Вообще выражение «Industrie 4.0» придумали в Германии для своей программы модернизации промышленности. Ассоциация 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) со штаб-квартирой в Германии объединяет с 2018 года производственные компании, заинтересованные в использовании 5G. Наибольшие требования к латентности и надежности предъявляет контроль движения промышленных роботов, где время отклика не может превышать десятков микросекунд. Сейчас это решается с помощью Industrial Ethernet (например, стандарт EtherCAT). Вполне вероятно, что 5G поборется и за эту нишу! 

Другие применения, такие как связь между индустриальными контроллерами или с человеком-оператором, сенсорные сети, менее требовательны. Сейчас большинство таких сетей используют кабель, так что беспроводный 5G представляется экономически оправданным решением, вдобавок позволяющим быструю реконфигурацию производства.

На практике, экономическая целесообразность приведет к внедрению 5G в наиболее дорогостоящих областях, связанных с оплатой человеческого труда, например, водителей погрузчиков на фабриках и складах. Так, европейская инженерная компания Acciona продемонстрировала автономную роботележку MIR200. Тележка передает 360-видео в высоком разрешении, удаленный оператор поможет ей выехать из непредвиденной ситуации. Тележка использует 5G-технологии Cisco и Samsung.

Технологии дистанционного сотрудничества пойдут дальше. В этом году было продемонстрировано, как хирург-эксперт в реальном времени наблюдает за ходом онкологической операции, происходящей за многие километры от него, и показывает своим коллегам, как лучше производить операцию. По мере усовершенствования технологии, он сможет принять более активное участие, уже непосредственно управляя хирургическими инструментами.

Интернет вещей

Прежде всего, 5G решит проблему с многочисленными и плохо поддерживаемыми стандартами связи Интернета вещей, которая сейчас, по нашему мнению, ограничивает развитие этого направления. 

Здесь 5G может предложить следующее:

• Ad hoc сети (без роутеров)
• Высокая плотность подключенных устройств
• Поддержка узкополосных, энергоэффективных (10+ лет на одной батарейке) коммуникаций

Но похоже, большому бизнесу пока интересней другие, отличные от Интернета вещей сценарии. Беглый поиск по интернету не нашел демонстраций ключевыми игроками преимуществ 5G для Интернета вещей.

Завершая эту тему, обратим внимание на следующую интересную возможность. Сейчас зависимость от розетки или необходимость замены батарей ограничивает выбор «вещей». Низкочастотная индуктивная беспроводная зарядка работает лишь на расстоянии в несколько сантиметров. 5G и его направленные миллиметровые волны позволят эффективную зарядку на расстояниях в несколько метров. Хотя существующие стандарты это и не оговаривают, мы не сомневаемся, что инженеры скоро найдут способы воспользоваться этой возможностью!

Возможности для разработчиков

Если вас заинтересовала тема, то куда двигаться дальше?

Связи. Лично познакомиться с 5G-игроками можно будет на ближайших российских конференциях Сколково Startup Village 2019 29-30 мая, Wireless Russia Forum: 4G, 5G & Beyond 2019 30-31 мая, CEBIT Russia 2019 25-27 июня, Smart Cars & Roads 2019 24 октября.

Из академических контактов следует отметить Moscow Telecommunication Seminar проводимый в Институте Проблем Передачи Информации.

Финансирование. Ключевые игроки проводят конкурсы по использованию 5G в разных областях. В США Verizon недавно объявила конкурс «Built on 5G Challenge» на Индустрию 4.0, иммерсивные потребительские приложения (VR/AR), и прорывные идеи (меняющие наш образ жизни и работы). Конкурс открыт для зарегистрированного в США малого бизнеса, заявки принимаются до 15 июля. Призовой фонд — $1M. Победители будут названы в октябре этого года. 

Трудоустройство. Помимо сотовых операторов большой четверки, в России есть несколько компаний, планирующих использование 5G в ближайшем будущем. Бизнес-модель ведущего провайдера доставки контента в России и СНГ, компании CDNVideo – плата за объем полученного трафика. Использование 5G, потенциально снижающего эту цену, позволит компании снизить издержки. Компания PlayKey продвигает игры в облаке, неудивительно, что и в ее планах использование 5G.

Open Source, по видимости, будет играть ключевую роль в инфраструктуре. Американский Open Networking Foundation поддерживает 5G. Европейский OpenAirInterface Software Alliance объединяет желающих обойти проприетарные компоненты 5G инфраструктуры. Стратегические направления включают поддержку 5G модемов и software-defined систем, гетерогенные сети и интернет вещей. O-RAN Alliance виртуализирует сети радиодоступа (Radio Access Networks). Реализация ядра сети доступно от Open5GCore.

Авторы:

Станислав Полонский — Начальник управления перспективных исследований и разработок Исследовательского центра Samsung

Татьяна Волкова — Автор учебной программы проекта IoT Академия Samsung, специалист по программам корпоративной социальной ответственности Исследовательского центра Samsung

Источник

Ложка дегтя в бочку с медом: