Перспективы и потенциал 5G: чего ожидать?

Перспективы и потенциал 5G: чего ожидать?

Выпуск 10(6684) от 23 мая 2019 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Одной из самых обсуждаемых и ожидаемых технологий на сегодня являются сети и средства связи 5G. При этом даже само определение понятия остается запутанным – ​встречаются различные, порой противоречивые интерпретации того, что такое 5G и чего от него ожидать. Исследовательская корпорация IHS Markit представила доклад, в котором приводится обобщенное определение 5G, описывается состояние этой технологии в настоящее время и перспективы развития в ближайшем будущем.

По мере развертывания первых сетей 5G возникает вопрос: какие новшества эта технология может внести в жизнь людей? Без сомнения, 5G помогает подготовить почву для последующих изменений, но информация об особенностях и возможностях технологии до сих пор остается запутанной. Эта путаница влияет не только на потребителей, но и в целом усложняет дальнейшее развитие отрасли.

Следует учитывать, что технология 5G появилась не на пустом месте – ​ей предшествовал достаточно длинный процесс развития технологий беспроводной связи (рис. 1).



Источник: IHS Markit

Рисунок 1. Эволюция стандартов мобильной связи

* LTE (Long Term Evolution) – мобильный протокол передачи данных проекта консорциума 3GPP, стандарт совершенствования технологий CDMA, UMTS, нацеленный на удовлетворение потребностей в скорости передачи данных, повышение эффективности, снижение издержек, расширение и совершенствование услуг, интеграцию с существующими протоколами.


Что такое технология 5G и что уже доступно в ее рамках? На самом базовом уровне 5G – ​это просто пятое поколение технологий мобильных сетей, преемник существующих стандартов 4G LTE. Но история 5G гораздо сложнее, чем предполагает это определение. Стремясь максимизировать занимаемую долю рынка, некоторые компании пытались позиционировать свои продукты и решения, предлагая нестандартные определения 5G. Это не новое явление, совсем недавно отрасль уже сталкивалась с таким типом позиционирования – ​при последнем переходе с 3G на 4G. Но таким образом проведение сколь-либо значимого анализа ситуации с 5G без предварительного формулирования более объективного, основанного на стандартах определения существенно затрудняется. Кроме того, хотя технические стандарты для 5G высоки и в конечном итоге позволят трансформировать повседневную жизнь и задействовать новые бизнес-модели, полный спектр запланированных возможностей не будет доступен во время первоначальных запусков. Технология будет разворачиваться поэтапно в течение следующих нескольких лет, и разница между тем, что 5G позволит в конечном итоге и тем, что будет предложено во время реализации первых проектов, вызывает некоторую путаницу среди потенциальных клиентов.

Интерес к сфере 5G продолжает расти. Количество публикаций, посвященных 5G, по итогам 2018 г. составило 35686 статей, или 98 статей в день, что на 248% выше показателей 2017 г. Правда, внимание прессы часто обращено на те возможности, которые будет предоставлять 5G в конечном итоге, а не на то, что происходит с этой технологией сейчас и что будет доступно в рамках ранних проектов.

Чтобы оптимизировать внедрение 5G в краткосрочной и долгосрочной перспективах, необходимо внести ясность не только относительно самого понятия, но и того, какие возможности и когда будут становиться доступными как для потребителей, так и для экосистемы в целом. IHS Markit разделяет официальное определение технологии, сформулированное консорциумом 3GPP, но также считает, что необходимо понимать его в контексте повседневного опыта и концепций.


ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СТАНДАРТЫ

Эксперты IHS Markit считают началом коммерческого развертывания 5G создание сетей и средств связи, соответствующих Версии 15 спецификаций 3GPP, относящихся к реализации Этапа 1 технологий «Нового радио» (New Radio, NR).

Ключевые характеристики Версии 15 включают в себя (но не ограничиваются указанными пунктами):

ν    неавтономный режим работы (например, с использованием ядра LTE и LTE в качестве опорной несущей);

ν    ширина полосы частот компонентных несущих до 100 МГц в спектре ниже 6 ГГц;

ν    ширина полосы частот компонентных несущих до 400 МГц в спектре выше 6 ГГц;

ν    поддержка объединения операторов;

ν    поддержка цифрового и аналогового формирования луча;

ν    переменный интервал поднесущих.

Как и в случае развертывания предыдущих поколений мобильной связи, IHS Markit ожидает, что 5G будет и дальше совершенствоваться за счет реализации соответствия требованиям Версии 2 NR Этапа 2, а также последующих версий стандарта (рис. 2).



Источник: IHS Markit

Рисунок 2. Переход от LTE к 5G


ЗНАЧЕНИЕ 5G

Развитие технологии 5G вступает в критический период. Важность быстродействующих и совместимых сетевых подключений никогда не была столь высока. Предприятия и потребители всегда должны быть на связи, где бы они ни находились и когда бы ни испытывали необходимость выйти в сеть. Типичные мобильные операции, требующие буферизации в современных сетях на базе 4G, в сетях 5G будут происходить мгновенно. Но технология 5G не ограничивается увеличенным быстродействием. В конечном итоге она обеспечит существенный рост емкости, надежности, а также сверхнизкое время ожидания, необходимые для критически важных услуг и масштабного распространения Интернета вещей.

Как ожидается, в 2019 г. в мире будет продано до 37 млн мобильных телефонов, поддерживающих технологию 5G, а в 2023 г. этот показатель вырастет до 525 млн шт. Около 78% экспертов из шести различных отраслей заявили, что технология 5G окажет значительное влияние на их сферы деятельности в течение следующих 12 месяцев. Степень готовности данных отраслей к освоению технологии 5G по пятибалльной шкале показана на рис. 3.



Источник: IHS Markit

Рисунок 3. Готовность к развертыванию технологии 5G в вертикально-интегрированных отраслях


СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И ВРЕМЯ ОЖИДАНИЯ

С использованием современных средств 4G LTE на загрузку фильма высокой четкости может потребоваться до 10 минут, но с технологией 5G время ожидания сокращается до нескольких секунд. На практике более высокое быстродействие позволит обеспечить мгновенную передачу данных, а значит, предприятия смогут работать быстрее и эффективнее. Под временем ожидания понимается время, проходящее между пользовательским запросом и действием, выполняемым простой функцией, приложением или машиной. Сниженное время ожидания в технологии 5G поможет улучшить реализацию потоковых приложений, таких как онлайн-игры, видеосвязь, интерактивные спортивные трансляции и т. п. Производственный сектор также выиграет от снижения времени ожидания, поскольку более интеллектуальные предприятия получат возможность обрабатывать больше информации, быстрее реагировать на изменение обстановки и создавать продукты с потенциально более низкой стоимостью. Меньшее время ожидания также будет ключевым фактором в приложениях, подразумевающих использование датчиков управления – ​от автономных транспортных средств до интеллектуального управления энергосистемой, дистанционного здравоохранения и многого другого.


РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОДКЛЮЧЕНИЯ

Увеличенная емкость, предлагаемая технологией 5G, позволит сетям поддерживать большее число устройств и выполнять задачи с большим объемом данных. С этой точки зрения технология 5G будет служить ключевым компонентом в расширении ежедневной онлайн-активности. Несомненно, это поможет улучшить существующие сервисы и даст возможность создать новые (рис. 4).



Источник: IHS Markit

Рисунок 4. 5G: улучшение существующих сервисов и новые варианты использования

* Иммерсивный (immersive) – создающий эффект присутствия, погружения.


ОТКУДА ВЗЯЛАСЬ ЗАПУТАННОСТЬ В ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЕХНОЛОГИИ 5G?

Причины такого явления кроются в том, что на самом деле для 5G существует три варианта использования: расширенный мобильный широкополосный доступ (eMBB) и фиксированный беспроводной доступ (FWA), критически важные приложения и массовый Интернет вещей. Технические требования, соответствующие этим трем вариантам использования, иногда противоречивы, однако речь идет об удовлетворении различных потребностей в рамках единой сетевой архитектуры. Создание зонтичной архитектуры – ​критически важный шаг к достижению экономии от масштаба и технической координации, необходимой для того, чтобы варианты использования, предусмотренные для 5G, стали не только возможными, но и технически и коммерчески жизнеспособными. На современном, переходном этапе развития разнообразие технических требований помогло сформировать фрагментарное понимание того, что на самом деле необходимо для 5G и когда будет полностью реализован потенциал данной технологии.

ν    eMBB и FWA. eMBB во многих отношениях представляет собой расширенную версию услуг, впервые включенных в сети 4G LTE. Технология eMBB может обеспечить лучшее взаимодействие с пользователем, предоставляя более высокую скорость передачи данных и большее покрытие. Для достижения этой цели необходимо обеспечить как более высокую пропускную способность eMBB в стесненных условиях, так и расширенное покрытие мобильных сетей для пассажиров и водителей транспорта. FWA следует текущей домашней широкополосной модели, но использует беспроводную мобильную технологию для создания интернет-подключения, при этом домашний маршрутизатор распределяет пропускную способность по мере необходимости. Текущие проекты развертывания для обеспечения широкополосных скоростей до 12 Мбит/с используют инфраструктуру 4G LTE. В условиях реализации технологии 5G пропускная способность FWA теоретически может быть гораздо выше, в некоторых случаях до 1 Гбит/с. Однако для достижения подобных скоростей потребуется внешний приемник, так как на задействованных частотах существуют проблемы с распространением волны. eMBB и FWA помогут обеспечить подключение к сетям умных домов, повсеместное транслирование видеоконтента, а также развитие сервисов виртуальной и дополненной реальности.

ν    Критически важные приложения требуют соблюдения высоких стандартов безопасности, практически универсального покрытия и сигнала, поддерживающего сверхнадежную связь с низкой задержкой (ultra-reliable, low latency communications, URLLC). Для этих приложений сбой в сети может привести к катастрофическим последствиям. Среди прочего, к критически важным приложениям будут относиться такие сферы, как автономные транспортные средства, дистанционная хирургия, роботы и БПЛА, автоматизация промышленного производства.

ν    Массовый Интернет вещей характеризуется огромным числом подключенных устройств, передающих нечувствительные к задержке данные. Он требует улучшенного покрытия и плотности сетей для поддержки подключенных устройств с длительным временем автономной работы и низкими скоростями передачи данных по межмашинной связи. К приборам массового Интернета вещей относятся датчики, используемые в умных зданиях, умном сельском хозяйстве, умных городах, умной логистике и т. п.

Основные потенциальные области применения технологии 5G отражены на рис. 5.



Источник: IHS Markit

Рисунок 5. Области приложения технологии 5G


Официальное определение 5G и связанных с этой технологией требований включает в себя много сложной технической информации. Это тоже часть проблемы: 5G – ​технологический стандарт, и перевод технических спецификаций на язык, понятный рядовому пользователю или практикующему маркетологу, – ​далеко не простая задача. Однако рассмотрение ряда технических аспектов 5G по отдельности помогает понять, почему эта технология так важна для «подключенного будущего» и почему различные варианты ее использования формируют совершенно разные впечатления у конечных пользователей.


ПЕРВЫЕ ШАГИ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Даже несмотря на то, что результатом применения технологии 5G должны стать сверхнадежная связь с малым временем ожидания и устойчивая межмашинная связь, первые проекты реализации ориентированы на функции, необходимые для поддержки eMBB и FWA. Другими словами, ожидается, что на начальном этапе параметры сетей 5G не будут специально настраиваться для поддержки требований критических приложений и массового Интернета вещей. Это не значит, однако, что поддержка eMBB и FWA для критически важных приложений или массового Интернета вещей не важна. Некоторые возможности ранних проектов развертывания, такие как поддержка дополненной и виртуальной реальности (AR/VR) и высокоскоростной потоковой передачи видео, используются не только в потребительских, но и в промышленных приложениях. Специалисты корпорации IHS Markit полагают, что операторы мобильных сетей (MNO) будут соревноваться между собой в соблюдении следующих минимальных требований ключевых показателей эффективности (KPI), которые Международный союз электросвязи (МСЭ) установил на 2020 г.:

ν    минимальная поддерживаемая скорость передачи данных для пользователя – ​100 и 50 Мбит/с (хотя ожидается, что ведущие операторы мобильной связи очень быстро превысят этот диапазон);

ν    достижение пиковой скорости передачи данных 20 Гбит/с по нисходящей и 10 Гбит/с по восходящей линиям связи;

ν    время ожидания в пользовательской плоскости не более 4 мс;

ν    время ожидания в плоскости управления 20 мс и менее;

ν    надежность 99,9999%.

Сегодня то, насколько близко операторы мобильных сетей подошли к этим показателям (или даже превзошли их), является основным фактором оценки производительности различных сетей 5G.


СПЕКТР, ЧАСТОТА И ШИРИНА ПОЛОСЫ

Спектр – ​это диапазон электромагнитных радиочастот, используемых для беспроводной передачи звука и данных. Пользовательские мобильные телефоны ведут не беспорядочную передачу данных по всему спектру радиосвязи, а связываются по определенным полосам частот. Эти полосы похожи на невидимые каналы, по которым доставляется информация. Чем шире канал, тем больше емкость и больше объем передаваемой информации.

Поворотными пунктами в технологии 5G стали полоса частот 6 ГГц и технология миллиметровых волн (mmWave). В принципе, рубеж 6 ГГц можно рассматривать как разделительную линию (хотя технически это не совсем точно): выше него – ​миллиметровые волны, ниже – ​уже нет. Сети и средства связи 5G могут и будут работать на частотах ниже 6 ГГц, обеспечивая большее быстродействие, чем современная технология LTE, хотя в этих диапазонах спектра разница не будет значительной. С другой стороны, работа 5G в миллиметровом диапазоне обеспечит существенный прирост производительности. Частотные диапазоны менее 6 ГГц перегружены – ​в настоящее время они чаще всего используются для сотовой и иной связи, а в миллиметровом диапазоне волн больше доступных частотных полос. Как уже отмечалось, одна из ключевых технических характеристик 5G подразумевает ширину полос частот компонентных несущих до 100 МГц в спектре менее 6 ГГц и ширину полос частот компонентных несущих до 400 МГц в спектре выше 6 ГГц. Это помогает объяснить различия в производительности разных вариантов 5G: в спектре менее 6 ГГц самый большой отдельный канал 5G будет в четыре раза меньше, чем самый большой отдельный канал, возможный в миллиметровых волнах.

Существуют технические возможности для объединения несущих. Операторы также могут создавать более крупные каналы, объединяя два частотных канала вместе. Связывание каналов обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем та, что может быть достигнута с помощью одного канала. В 4G LTE каналы конфигурируются по полосам частот 5, 10, 15 или 20 МГц. В настоящее время технология LTE демонстрирует максимальное агрегирование с четырьмя или пятью каналами. Таким образом, технически возможно для агрегации несущих с LTE объединить пять различных каналов по 20 МГц, чтобы создать один 100-МГц канал. Однако многие сети мобильной связи просто не имеют достаточного числа 20-МГц каналов, доступных для агрегирования. При использовании сети 5G, работающей в спектре более 6 ГГц, большое значение будут иметь компонентные каналы частотой до 400 МГц (в этом случае термин «компонентный» означает, что частота до 400 МГц на канал может быть достигнута без агрегирования). Более того, 5G обеспечит дополнительную агрегацию несущих, что с учетом потенциала, заложенного в Версию 15, позволит сформировать 800-МГц канал, а при реализации Версии 16 – 1,2-ГГц канал. Другими словами, размер и пропускная способность «трубы» в миллиметровой 5G-технологии могут в 8–12 раз превосходить параметры, доступные в современных конфигурациях LTE (рис. 6).



Источник: IHS Markit

Рисунок 6. Сопоставление несущих LTE и 5G


Существенное влияние на распространение технологии 5G будет оказывать инфраструктура. Частоты менее 6 ГГц позволяют опираться на уже существующую инфраструктуру связи предшествующих поколений, для миллиметровых волн инфраструктуру придется создавать почти с нуля. Кроме того, встает вопрос распространения волн – ​более низкие частоты способны передаваться дальше и проникать сквозь твердые тела лучше, чем более высокие. Эта разница также повлияет на покрытие сетей 5G. Чем выше полоса частот, тем меньше область, которую может покрыть каждая базовая станция. Это означает, что вариант 5G, реализованный на более низких частотах в диапазоне менее 6 ГГц, будет отличаться более широким покрытием, чем миллиметровые базовые станции 5G, поэтому сетевым операторам, желающим предоставлять более емкие каналы и более высокие скорости передачи данных на частоте выше 6 ГГц, потребуется больше базовых станций.

Надо отметить, что первоначально сети 5G будут не автономными (Non-Standalone, NSA) и будут задействовать существующую инфраструктуру 4G LTE для задач, не связанных с обработкой и передачей данных. Это означает, что даже доступные в зоне покрытия сети 5G будут использоваться не всегда, а только для больших, ресурсоемких задач передачи данных, независимо от режима ожидания. Голосовые вызовы и потенциально более мелкие задачи передачи данных, такие как SMS/MMS, будут по-прежнему реализовываться по технологиям 4G LTE или, возможно, даже 3G (у отдельных операторов).

Большой потенциал для продвижения технологии 5G предлагает подход массового MIMO. В настоящее время LTE-сети используют конфигурацию MIMO 2×2 или 4×4. Преимущества полос миллиметровых частот 5G в конечном итоге позволят получить выигрыш от роста использования массового MIMO и огромного числа его потенциальных конфигураций. Этот скачок в масштабе, переходящий от сегодняшней конфигурации 4×4 к сотням антенных элементов, напрямую связан с более высокими миллиметровыми частотами. С практической точки зрения на базовых станциях или мобильных устройствах просто нет места для поддержки огромного количества больших антенн. Однако при переходе на миллиметровые волны размер антенн значительно уменьшается и позволяет расширить использование MIMO.

Формирование миллиметрового луча и массовый MIMO также создают условия для улучшения качества связи. Современные сотовые сети построены с использованием конфигурации с расширенным спектром, в котором сигнал отправляется по всему частотному каналу. Недостатком данного подхода является то, что чем больше людей использует конкретную частоту, тем больше шум; а чем больше шума, тем выше вероятность негативного воздействия на качество связи. В сетях 5G формирование луча решает проблему помех путем индивидуального отслеживания каждого пользователя уникальным радиопучком. Поскольку сигналы направляются индивидуально, а не распространяются по всей зоне покрытия антенны, возможностей для возникновения взаимных помех становится гораздо меньше, что повышает эффективность использования спектра. По мере развития миллиметровых сетей 5G будет расти важность формирования лучей для обеспечения максимально эффективного управления трафиком.

Специалисты IHS Markit полагают, что первые устройства 5G, имеющие доступ к спектру более 1 ГГц, первоначально будут поддерживать конфигурацию MIMO 4×4.


ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ИТОГ

Итак, сети 5G, работающие на частоте ниже 6 ГГц, демонстрируют лучший охват, но меньшую пропускную способность. По сравнению с сетями LTE производительность увеличится примерно на 25%. С другой стороны, развертывание этих сетей будет менее капиталоемким по сравнению с миллиметровыми 5G-сетями.

Миллиметровые (с частотой выше 6 ГГц) сети 5G отличаются бЧльшим потенциалом, но меньшим покрытием. Тем не менее их внедрение станет реализацией действительно прорывной технологии. С каналами, пропускная способность которых начинается со 100 МГц, обширным пространством агрегации несущих, возможностью использования массового MIMO и улучшенного формирования луча, технология миллиметровой связи 5G будет сильно отличаться от того, что получат конечные пользователи 5G на более низких частотах. Недостаток миллиметровой технологии – ​более дорогое развертывание.

* * *

Реализация технологии 5G на частотах ниже 6 ГГц обеспечит более упорядоченное, эволюционное развитие. В этом случае получают расширение многие из тех сценариев использования, которые начали реализовываться в рамках стандартов 4G – ​LTE и LTE-Advanced. Реализация 5G на частотах выше 6 ГГц – ​это та область, с которой начнется воплощение настоящего революционного потенциала технологии.

 

The Promise and Potential of 5G: Evolution or Revolution? IHS Markit, 2019, 332810172-JH0319: https://cdn.ihs.com/www/pdf/0419/IHS-Markit-Technology‑5G-The-Promise-Potential.pdf?utm_campaign=PC11531–1_eT1_JM_Global_5G_Status&utm_medium=email&utm_source=Eloqua&elqTrackId=a536e62cbdf745ddae54d98835717844&elq=680f8bc57e8342939a2c8dcab249b227&elqaid=81579&elqat=1&elqCampaignId=34511


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.