Стандарты поколения сотовой связи 4.5 g. Есть и подводные камни

До недавнего времени в мире существовало четыре поколения мобильной связи . В настоящее время операторы при поддержке поставщиков оборудования (вендоров) активно тестируют возможности сетей пятого поколения, коммерческий расцвет которого ожидается к 2020 году. Объяснить это достаточно просто: существует, так называемое, правило десяти лет. Если заглянуть немного в прошлое, можно заметить, что каждое новое поколение мобильной связи появлялось примерно через 10 лет после появления предыдущего: первое поколение появилось в начале 80- годов, второе в начале 90-х, третье в начале 00-х, четвертое в 2009 году. Напрашивается вывод, что коммерческие сети 5G начнут заполнять мир именно в 2020 году.

Стандарт мобильной связи пятого поколения (5G) – это новый этап развития технологий, который призван расширить возможности доступа в Интернет через сети радиодоступа.

Стандартизацию сетей мобильной связи 2, 3, 4 и 5 поколений выполняет партнерский проект для стандартизации систем 3-го поколения (3rd Generation Partnership Project, 3GPP).

В 2017 году организация 3GPP официально сообщила, что 5G станет официальным названием следующего поколения мобильной связи и представила новый официальный логотип стандарта связи.

Задачи, которые призвана решить технология 5G:

рост мобильного трафика
увеличение числа устройств, подключаемых к сети
сокращение задержек для реализации новых услуг
нехватка частотного спектра

Услуги в сетях 5G

Сверхширокополосная мобильная связь (Extreme Mobile Broadband, eMBB) - реализация ультраширокополосной связи с целью передачи «тяжелого» контента;
Массовая межмашинная связь (Massive Machine-Type Communications, mMTC) - поддержка Интернета вещей (ультраузкополосная связь);
Сверхнадежная межмашинная связь с низкими задержками (Ultra-Reliable Low Latency communication, URLLC) - обеспечение особого класса услуг с очень низкими задержками.

Подробнее услуги в сетях 5G рассмотрены по ссылке .

Очевидно, что в будущем к сети будет подключено гораздо больше устройств, большинство из которых будут работать по принципу «всегда онлайн». При этом очень важным параметром будет являться их низкое энергопотребление.

Требования к сетям 5G

Пропускная способность сети до 20 Гбит/сек по линии "вниз" (т.е. к абоненту); и до 10 Гбит/с в обратном направлении.
Поддержка одновременного подключения до 1 млн. устройств/км 2.
Сокращение временной задержки на радиоинтерфейсе до 0,5 мс (для сервисов Сверхнадежной межмашинной связи URLLC) и до 4 мс (для сервисов Сверхширокополосной мобильной связи eMBB).

Другие технические требования к сетям 5G рассмотрены в этой статье .

Потенциальные технологии в стандарте 5G

1) Массивные MIMO

Технология MIMO означает использование нескольких антенн на приемопередатчиках. Технология, успешно применяемая в сетях четвертого поколения, найдет применение и в сетях 5G. При этом если в настоящее время в сетях используется MIMO 2x2 и 4x4, то в будущем число антенн увеличится. Эта технология имеет сразу два весомых аргумента для применения: 1) скорость передачи данных возрастает почти пропорционально количеству антенн, 2) качество сигнала улучшается при приеме сигнала сразу несколькими антеннами за счет разнесенного приема (Receive Diversity ).

2) Переход в сантиметровый и миллиметровый диапазоны

На данный момент сети LTE работают в частотных диапазонах ниже 3,5 ГГц. Для полноценного функционирования сетей мобильной связи стандарта 5G необходимо разворачивать сети в более свободных высокочастотных диапазонах. При повышении частоты, на которой передается информация, уменьшается дальность связи. Это закон физики, обойти его можно лишь повышая мощность передатчика, которая ограниченная санитарными нормами. Однако считается, что базовые станции сетей пятого поколения будут располагаться плотнее, чем сейчас, что вызвано необходимостью создать гораздо бОльшую емкость сети. Преимуществом диапазонов десятков ГГц является наличие большого количества свободного спектра.

Подробнее вопросы выделения частотного спектра в 5G рассмотрены в следующих статьях:

Частоты для 5G. Преимущества и недостатки использования частот ниже 6ГГц и выше 6ГГц

Сети 5G: текущее состояние и перспективы развития. Интервью с автором книги «Мобильная связь на пути к 6G» Антоном Степутиным

3) Мультитехнологичность

Для обеспечения высококачественного обслуживания в сетях 5G необходима поддержка как уже существующих стандартов, таких как UMTS , GSM , LTE , так и других, например, Wi-Fi. Базовые станции, работающие по технологии Wi-Fi могут использоваться для разгрузки трафика в особо загруженных местах.

Технология device-to-device позволяет устройствам, находящимся неподалеку друг от друга, обмениваться данными напрямую, без участия сети 5G, через ядро которой будет проходить лишь сигнальный трафик. Преимуществом такой технологии является возможность переноса передачи данных в нелицензируемую часть спектра, что позволит дополнительно разгружать сеть.

5) Новый радиоинтерфейс в сетях 5G и другие инновации читайте в статье Какими будут сети мобильной связи 5G?

Подробнее о технических требованиях к сетям 5G, вариантах радиоинтерфейсов, услугах и других нововведениях в сетях мобильной связи нового поколения читайте в книге " Мобильная связь на пути к 6G ".

На заре быстрого и стремительного развития сферы телекоммуникаций уже сложно представить жизнь без мобильных систем. Не так давно в 2012 году на конференции в Женеве были представлены технологии LTE Advanced (LTE-A) и WiMAX 2 (WMAN-Advanced, IEEE 802.16m), которые были признаны технологиями четвертого поколения или как уже привыкли их называть - технологии четвертого поколения 4G. Было заявлено, что данные технологии позволяют осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с — подвижным абонентам и 1 Гбит/с — стационарным. И не успели операторы перевести дух, как уже в 2015 году появляются сообщения о разработке сетей следующего поколения 5G. Так что же такое 5G и настолько ли нам необходимы эти технологии?

На данный момент нет четкого стандарта для сетей пятого поколения, однако, телекоммуникационные компании, среди которых такие как: Huawei, Ericsson, Nokia, уже сейчас предлагают концепцию будущих 5G сетей. Предполагается, что 5G станет последним и обобщенным стандартом для беспроводных технологий.

Возвращаясь к разговору о сетях четвёртого поколения (4G) стоит сказать, что их ключевой особенностью для привлечения абонентов стала высокая скорость. Но, как показала практика, скорость не является ключевым фактором. Не стоит также забывать о таких параметрах как ёмкость сети, задержки при передаче пакетов и прочих факторов. И так как в сетях 5G планируется работа колоссального количества устройств, начиная от кофемашин, холодильников и заканчивая автомобилями, то необходимо серьезное улучшение основных параметров беспроводных сетей, а именно увеличение скорости передачи данных к множеству абонентов, увеличение ёмкости сетей и уменьшение задержек.

Добиться этого планируется следующим образом:

Увеличение пропускной способности сети более 10 Гбит/сек.;
Количество одновременных подключений до 100 миллионов устройств на 1 квадратный километр;
Обеспечение уменьшения задержки в сети до 1 мс;
Выделение каждому сервису определённой ёмкости ресурса.

Виртуализация в 5G-сетях

Одной из основных технологий в сетях пятого поколения станет "Интернет вещей". Интернет вещей - это не просто множество различных приборов и датчиков, объединенных между собой проводными и беспроводными каналами связи и подключенных к сети Интернет, это более тесная интеграция реального и виртуального миров, в которых общение производится между людьми и устройствами. Для реализации этого будут применяться такие технологии как беспроводные сенсорные сети и RFID (метод автоматической идентификации объектов). Таким образом, внедрение "Интернет вещей" в сети пятого поколения 5G позволит не только взаимодействовать в единой сети кругу бытовых гаджетов и устройств (смарт-часы, устройства VR, планшеты и смартфоны), но и позволит охватить все сферы деятельности человека (технология умный дом и умный город).

Рисунок 1 - Охват технологии 5G в жизни человека

Стоит также отметить, что технология 5G планирует стать по-настоящему конвергентной технологией. Конвергенция подразумевает под собой группировку отдельных компонентов сети, в единый оптимизированный вычислительный комплекс. Организация этого комплекса планируется с помощью виртуализации оборудования. То есть операторы за счёт набора серверов и DATA-центров будут организовывать виртуальное оборудование для обработки и хранения данных, в то время как физическое оборудование будет использоваться лишь для передачи пользовательского трафика. Таким образом будет уменьшение количества оборудования для одной базовой станции, а если учесть что всё это будет являться неким облаком, то оператор будет иметь доступ в любую точку сети для динамической настройки того или иного сегмента сети.

В основу всего этого будет положена технология SDN - сеть передачи данных, в которой уровень управления сетью отделен от устройств передачи данных и реализуется программно, и NVF - это концепция сетевой архитектуры, предлагающая использовать технологии виртуализации целых классов функций сетевых узлов в виде составных элементов, которые могут быть соединены вместе или связаны в цепочку для создания телекоммуникационных услуг (сервисов).

Рисунок 2 - Виртуализация сетей 5G

За счет виртуализации сети появляется возможность организации такой функции как "сети по запросу".

Рисунок 3 - Сети по запросу в 5G

Как известно, под организацию конкретной задачи сети (сеть смартфонов, умный дом и т.д.) существуют уже готовые решения с набором параметров и конкретным оборудованием. Сети 5G за счет виртуализации и технологии сети "по запросу" предлагают заранее организовать серверы и DATA-центры для операторов с учетом всех требований для сети. Этакое коробочное решение для оператора.

Архитектура сетей пятого поколения

Проблему с покрытием и доступностью к сети было решено изменить путем ориентирования на абонентов, то есть радиопокрытие сети будет подстраиваться под нужды абонентов в отличие от сетей прошлого поколения. Планируется применение автоматических фазированных антенных решёток, способных динамически изменять диаграммы направленности антенных систем. Также планируется использование всего доступного частотного диапазона, в частности использование миллиметрового диапазона на коротких расстояниях.

Что касаемо вопроса о сетевой архитектуре 5G, то тут стоит выделить три подсистемы (облака), да - облачные технологии, куда без них в современном мире:

Облако доступа (Access) - подразумевается включение как распределенных, так и централизованных технологий и систем доступа. Также планируется обратная совместимость с сетями 4G и 3G;
Облако управления (Control) - управление сессиями, мобильностью и качеством услуг;
Транспортное облако (Forward) - физическая передача данных в сеть с высокой надежностью, скоростью и балансировкой нагрузки.

Рисунок 4 - Архитектура сети 5G.

Радиоинтерфейс

Что касается радиоинтерфейса 5G, то планируется увеличение спектральной эффективности в 3 раза по сравнению с сетями четвертого поколения (4G). Это способствует тому, что при одной и той же ширине полосы пропускания передается до 3 раз больше данных, то есть около 6 бит/сек на 1 Гц. Новый радиоинтерфейс планируется быть гибким, легко конфигурируемым и обратно совместимым с сетями 4G и 3G.

Рисунок 5 - Концепция нового радиоинтерфейса

Компанией Huawei было предложено следующее решение для нового интерфейса:

Рисунок 6 - Базовые технологии для радиоинтерфейса в 5G по мнению компании Huawei

Как видно из рисунка, предполагается применение следующих технологий:

SCMA (Sparse Code Multiple Access) - разделение абонентов на базе разреженного кода, при этом нет необходимости в подтверждении о доставке. В этой технологии битовые потоки разных пользователей в одном частотном ресурсе, напрямую преобразуются в кодовое слово при помощи так называемой кодовой книги из определённого набора. Эти коды условно называются квазиортогональными и количество этих кодов довольно большое, и имеет двухмерную структуру. То есть исходный сигнал накладывается на кодовую книгу и уже преобразованный сигнал попадает на радиоинтерфейс. Восстановление сигнала на приемной стороне также производится по кодовой книге.

Рисунок 7 - Алгоритм технологии SCMA

F-OFDM (Flexibel OFDM) - усовершенствованная технология OFDM позволяющая организовать гибкое разбиение на поднесущие, гибкое изменение длины символов и гибкое изменение циклического префикса. То есть под каждую задачу будет использоваться свой набор параметров.

Рисунок 8 - Сравнение технологии OFDM и F-OFDM

Polar Code - линейный корректирующий код, основанный на явлении поляризации канала.
На иллюстрации ниже представлены также дополнительные, но, несомненно, важные технологии для сетей 5G.

Дополнительные технологии в сетях 5G

Massive MIMO - передача к одному абоненту до 8 потоков данных. В Massive MIMO абонент может работать с большим количеством антенн одновременно, которые будут формировать очень острые диаграммы направленности. Использование пространственного мультиплексирования нескольких лучей позволит увеличить принимаемый уровень сигнала и подавить интерференцию от других пользователей, тем самым увеличить пропускную способность и спектральную эффективность;

Рисунок 9 - Massive MIMO

Novel Multiple Access - новые технологии доступа, например, SCMA;
New Full Duplex - позволяет применять одну частоту в разных сотах для разных задач (UpLink и DownLink);

Рисунок 10 - Принцип работы New Full Duplex

Flexibel Duplex - позволяет организовать гибкую передачу трафика. То есть, например, в UPLink передавать информацию для DownLink;

Рисунок 11 - Принцип работы Flexibel Duplex

FBMC/UFMC (Filter Bank Multicarrier, Universal Filter Multi-Carrier) - увеличивает спектральную эффективность, улучшает канальную селективность, позволяет использование в "когнитивном радио";
Adv. Coding and Modulation - применение совокупности технологий модуляций и кодирования, среди которых такие как Non-binary coding, Bit-mapping techniques, Joint coding & modulation;
Ultra-dense networking - позволяет за счет виртуализации организовать сверхплотные сети, за счёт которых на n-ой площади можно будет обслуживать большое количество абонентов, что в свою очередь позволяет строить сложные иерархии сети. Также данная технология позволяет одновременное взаимодействие сот между собой;

Рисунок 12 - Технология Ultra-dense

Low latency & high reliability - снижение задержки и повышение надежности;
M2M/D2D - передача информации напрямую между устройствами (машинами, девайсами) без участия человека. Расширение покрытия за счет устройств абонентов Построение децентрализованной сети;
High frequency communication - частоты ниже 6 ГГц будут первичными диапазонами для сети 5G. Частоты выше 6ГГц для универсального доступа и магистральной связи. Как видно из рисунка ниже, планируется задействовать частотный диапазон вплоть до 100 ГГц;

Рисунок 13 - Частотный план 5G

Spectrum sharing - совместное использование спектра на разных уровнях разными технологиями доступа.

Управление сетями в 5G будет осуществляться за счет разрабатываемой TelecommunicationOS. То есть различные отрасли и категории пользователей будут использовать одну операционную платформу для доступа к инфраструктуре сети.

Рисунок 14 - Управление сетями 5G

Экспериментальные данные при тестировании технологии 5G

Те, кто следят за новостями развития беспроводных технологий, наверняка уже слышали о том, что не так давно, в июне 2016 года, МегаФон продемонстрировал передачу данных в 1 Гбит/сек на Петербургском международном экономическом форуме. Преодоление порога в гигабит было долгожданным событием еще со времен выхода стандарта для 4G сетей. Но что же творится на мировом рынке?

Меньше месяца назад, на испытании оборудования 5G сетей в Швеции оператор связи Telia совместно с компанией Ericsson продемонстрировали передачу данных на скорости в 15 Гбит/сек на одного пользователя. Время отклика составляло менее 3 мс. Эти показатели более чем в сорок раз выше показателей функционирующей 4G сети. К слову сказать, для сетей пятого поколения разработанной дорожной картой предусмотрены пиковые скорости передачи данных в 20 Гбит/сек. По заявлению руководства оператора Telia, запуск коммерческих 5G сетей планируется уже в 2018 году в Стокгольме и столице Эстонии — Таллине.

Но неизменным лидером на рынке беспроводного оборудования по-прежнему остается компания Huawei. Почти все значимые рекорды в скорости мобильного интернета принадлежат ей и уже несколько лет подряд специалисты Huawei не отдают никому пальму первенства. В июле этого (2016) года на официальном сайте компании появилась информация о том, что совместно с Vodafone им удалось разогнать скорость в сети до 20 Гбит/сек в E-диапазоне. И что самое удивительное, компания Huawei объявила, что к 2018 году в России будет завершено строительство 5G сетей. Естественно сеть будет обслуживать города, в которых пройдет чемпионат мира по футболу. Скорее всего, демонстрация гигабитных скоростей в июне этого года компанией МегаФон является первым шагом на пути к реализации этого проекта.

Несмотря на то, что скорость в 20 Гбит/сек определена Международным союзом электросвязи в качестве базовой, Huawei собирается создать гораздо более скоростные сети, так как на форумах презентуются прототипы базовых станций и приемников, позволяющих поддерживать передачу данных на скорости 115 Гбит/с.

Также гигабитные скорости не являются исключением и для движущихся абонентов, ведь пару месяцев назад Huawei передал 10 Гбит/сек абоненту, движущемуся со скоростью 120 км/ч. Естественно главный успех эксперимента зависит от точности сопровождения абонента диаграммой направленности базовой станции, поддерживающей MIMO и Beamforming.

Заключение

Сейчас довольно сложно говорить о возможностях и сроках реализации коммерческих сетей 5G, при условии, что пока даже не введен стандарт, но производители взялись за сети нового поколения очень резко, и их разработки даже опережают выход стандарта. Если компаниям, участвующим в проекте, удастся добиться поставленных целей, то весь мир сможет получить единую, стабильную, конвергентную и высокодоступную сеть нового поколения, после введения которой уже долгое время не придется создавать и разрабатывать сети нового поколения. Во всяком случае представители Международного союза электросвязи заявляют свои надежды на то, что 5G станет точкой в развитии беспроводных сетей, существенной переделки архитектуры не будет, и нас ждет лишь минорная доработка радиочасти.

5G, стандарт связи следующего поколения, будет поддерживать Интернет вещей, умные автомобили и другую технику.

Новый стандарт мобильной связи появится не раньше 2020 г., но соответствующие спецификации разрабатываются полным ходом, и становится понятно, что стандарт 5G будет значительно отличаться от 4G. Речь идёт об увеличении скорости обмена информацией для мобильных телефонов и планшетов и о множестве других решений, у каждого из которых свои собственные требования.

Предсказания от Ericsson

Как технология 5G станет работать и зачем она нужна, если сверхбыстрый существует уже сейчас?

По мнению компании Ericsson, будущее выглядит так.

Беспилотные и подключённые к сети автомобили будут обмениваться между собой информацией. В случае аварии автомобиль, находящийся ближе всех к месту происшествия, сообщит о нём всем машинам, едущим ему вслед. Это позволит им заранее снизить скорость или, в случае пробки, рассчитать новый маршрут.

Датчики автомобиля будут более точно измерять погодные условия и отсылать данные через сеть 5G с тем, чтобы автомобиль рассчитал наилучший маршрут движения.

В области общественного транспорта сеть 5G позволит в режиме реального времени отслеживать число ожидающих пассажиров на остановках. Водитель автобуса пропустит остановку без пассажиров, а диспетчер направит дополнительный транспорт в места их скопления.

В эпоху 5G вся домашняя электроника будет взаимосвязана. Если раньше при переходе из одной комнаты в другую приходилось переносить с собой портативное устройство, чтобы продолжать, например, слушать любимую радиостанцию, то теперь динамики в разных комнатах свяжутся между собой и прослушивание продолжится с прерванного места. Кроме того, можно будет следить за потреблением энергии каждым устройством или узнать, сколько электроэнергии произведено солнечными батареями.

Сеть 5G изменит экстренные службы, обеспечив надёжную связь в экстренных ситуациях и первоочерёдность сообщений полиции и экстренных служб. А пожарные в шлемах с камерами будут транслировать изображение командованию и получать помощь в сложных спасательных операциях.

5G-технологии

В прошлом году удалось упорядочить их большую часть, но подбор технологий, обеспечивающих их практическое применение, продолжается.

Среди них:

сверхвысокие частоты, достижение которых ранее казалось невозможным, обеспечат намного большую скорость;
развивающиеся системы, пересылая данные крошечными частями, продлят работу устройств Интернета вещей на многие годы;
уменьшение задержек для задач, которые требуют незамедлительной реакции.

5G-сеть: скорость

Оценка увеличения скорости стандарта 5G по сравнению с предыдущим неоднозначна. Компании Ericsson удалось достичь роста в 50 раз - до 5 Гбит/с. Samsung вышел на показатель 7,5 Гбит/с с устойчивым сигналом 1,2 Гбит/с в двигающемся на высокой скорости автомобиле. Партнёрство "Евросоюз - Китай" намерено увеличить скорость 5G в 100 раз. NTT DoCoMo, японский оператор сотовой связи, совместно с компаниями Alcatel-Lucent, Ericsson, Samsung и Nokia пытается достичь 10 Гбит/с. А учёные из университета Сюррея предполагают скорость 1 Тбит/с. Ожидается, что за следующие 10 лет скорость мобильных сетей вырастет ещё в тысячу раз.

Рост скорости потребует более совершенных антенн и оборудования, а также расширенного спектра частот. В США процесс распределения данного ресурса уже начался.

Интернет вещей

Со снижением стоимости подключения всё больше устройств имеет доступ к Wi-Fi. Концепция объединения телефонов, кофе- и стиральных машин, наушников, светильников и всего остального в единую сеть и называется Интернетом вещей. К 2020 году ожидается, что в мире будет насчитываться более 26 млрд таких устройств. А число соединений будет ещё больше.

Способность вещей «чувствовать» с помощью сенсоров и удалённо выполнять команды найдёт применение в городском планировании, технологиях «умного» дома, системах контроля тепло- и электроснабжения, безопасности, мониторинга состояния здоровья, общественном транспорте, ритейлинге.

Интернету вещей требуется небольшая скорость подключения, но для огромного числа устройств. Уже действуют выделенные сети, использующие узкий и разработчики стандарта 5G хотят принять участие в этом процессе.

Таким образом, телекоммуникационные сети вынуждены будут поддерживать не только пользователей мобильной связи, но и «умные» вещи. Управлению столь разнородным трафиком призван прийти на помощь новый стандарт.

Задержки

Очевидно, что сеть нового поколения 5G будет поддерживать технологии беспилотного транспорта и приложений дополненной реальности. В этом случае информация должна поступать в реальном времени. Время приёма-передачи в 4G-сетях превышает 10 мс, что крайне много. Будущий стандарт может полностью изменить сетевую архитектуру с перемещением места хранения данных из дата-центров в конечные узлы, включая «умные» устройства.

Движущемуся автомобилю, например, требуются данные о расположении ближайшего транспорта. Существующие сети с потоком таких данных уже для трёх автомобилей справиться не в состоянии. Большие задержки при передаче данных требуют локального размещения данных.

Предполагается, что отзывчивость сетей следующего поколения будет максимальной. Задержка в передаче данных не будет превышать 1 мс, даже при скорости движения терминала 500 км/ч. Такая латентность будет главным движущим фактором создания новых технологий, таких как управление автотранспортом в городском потоке и хирургические операции на расстоянии.

Достичь консенсуса

Если положение с определением круга потенциальных технологий в 2015 улучшилось, то сами технологии всё ещё разрабатываются. Требуется определиться с тем, какие технологии 5G необходимы в первую очередь, а какие будут реализовываться после. Вряд ли это произойдёт в 2016 году.

Несмотря на отсутствие стандарта и уверенности в приоритете технологий, компании-производители пытаются возглавить разработку и претворение в жизнь технологий 5G, чтобы занять выгодную позицию в будущем.

Компания Nokia в апреле 2015 г. заявила о приобретении Alcatel-Lucent за 16,6 млрд долларов США, а американская телекоммуникационная компания Verizon Wireless заявила, что первая 5G-сеть в США появится уже в 2016 году.

Первые ласточки

Уже появились прототипы 5G-сетей. Первую 5G-сеть запустили в Южной Корее. Компания SK Telecom представила новую технологию на открытии исследовательского центра, который займётся её развитием. А к XXIII зимним Олимпийским играм 2018 г. в Южной Корее компания планирует построить сеть 5G по всей стране.

NTT DoCoMo тоже намерен запустить 5G-сеть в Японии к летним Олимпийским играм 2020 г. в Токио.

Сети 5G против США

Стандарта 5G, как и предыдущие стандарты, разрабатывает консорциум 3GPP, а утверждается он ITU, Международным союзом электросвязи. Не хотят оставаться в стороне и производители. В октябре 2015 года некоторые региональные группы пришли к соглашению собираться каждые полгода для выработки общей позиции по стандарту 5G.

Подобное соглашение было достигнуто в сентябре 2015 г. между Евросоюзом и Китаем. Ericsson и TeliaSonera пришли к соглашению о стратегическом партнёрстве с целью обеспечить клиентов сотового оператора в Таллинне и Стокгольме доступом к сети 5G в 2018 г.

И совсем немного осталось ждать, когда 5G-сеть запустят в РФ. МТС и Ericsson заключили договор о совместной работе над технологиями пятого поколения, результатом которого будет первая тестовая 5G-сеть в России на ЧМ по футболу в 2018 г., на два года раньше, чем 5G-сеть в Японии. Для этого в 2016 г. будет реализован проект LTE-U по использованию LTE на частоте 5 ГГц, используемом для подключения точек доступа Wi-Fi. Также будет протестирована технология Ericsson Lean Carrier, которая организует распределение трафика и снижает межсотовые помехи, увеличивает скорость передачи и покрытие, помогает в планировании сети.

Как видно, страны мира договариваются о сотрудничестве в данной области. Все, за исключением США, привыкших занимать лидирующие позиции во всём.

4,5G готовит к будущему

Компания Qualcomm предложила технологию 4,5G LTE Advanced Pro, внедрение которой планируется в течение следующих четырёх лет. Благодаря этому компания сможет поддерживать как более широкий спектр частот, необходимых для стандарта 5G, так и ранее развёрнутые сети LTE, что уменьшит задержки и увеличит пропускную способность.

Особенности сети:

высокая благодаря объединению спектров частот;
поддержка 32 операторов одновременно и увеличение пропускной способности благодаря объединению частот и распределению сетевого трафика между операторами;
10-кратное снижение задержки в сравнении с LTE Advanced при использовании существующих вышек и частот с 1 мс до 70 мкс;
использование ресурса входящей линии связи для нужд исходящей;
увеличение количества антенн на для увеличения зоны покрытия и мощности сигнала;
повышение энергосбережения IoT-устройств сужением диапазона до 1,4 МГц и 180 кГц (до 10 лет на одной батарее);
1 Гбит/с для обмена информацией между автомобилями, пешеходами и IoT-устройств;
сканирование окружения без включения Wi-Fi или GPS на мобильном устройстве.

Технологические барьеры

Во Фраунгоферовском институте телекоммуникаций в Берлине проводятся опыты с частотами 40-100 ГГц, Samsung использует в своих экспериментах частоту 28 ГГц, а Nokia - свыше 70 ГГц.

Работа устройств в миллиметровом диапазоне волн имеет такую особенность, как крайне неудовлетворительное распространение сигнала, мощность которого существенно падает с удалением от базовой станции. Кроме того, интерференция сигнала может быть вызвана даже телом человека.

Решение - MIMO

Выход заключается в применении когда посылают и принимают несколько сигналов одновременно. Сейчас она используется в LTE и WLAN. Для высоких частот применяется Massive MIMO - технология оптимизации приёма, когда в мобильных устройствах размещено десятки небольших антенн и сотни - в передатчике.

Производитель антенн SkyCross создал систему MIMO 4x4, которую можно использовать в терминале размером 16x10 см. Это значительно больше, чем у антенн для LTE. Например, размеры LG G4 - 15x7,6 см, Samsung Galaxy S6 - 14x7 см, а Apple iPhone 6 Plus - 16х7,8 см. Система MIMO 4x4 не нова - кроме терминалов LTE-Advanced, она применяется в системах спутникового телевидения, жёстких требований к её размерам и энергопотреблению не предъявлялось. Таким образом, создание небольшого мобильного устройства с 4 антеннами станет испытанием для проектировщиков.

Разработка портативных терминалов также потребует больших усилий. По утверждению представителя компания Texas Instrument, что для создания микросхем, способных передавать данные на высоких частотах, потребуется применение новых технологий.

В 2015 году проект создания 5G-стандарта получил официальное название IMT-2020. Жаль, что в остальном до сих пор не видно конца процесса.

AT&T, Verizon Wireless и другие телекоммуникационные компании начнут внедрять 5G сети в текущем году. Но что же такое 5G? В данной статье мы поделимся с вами всем, что нам известно на данный момент.

5G запустят уже в этом году. Ну, или нет. В гонке за 5G (проще говоря – это пятое поколение мобильной связи), телекомпании обещают невозможное, что станет причиной большой путаницы в течение нескольких последующих лет.

Поскольку пока еще не существует ни одного официального определения 5G, все игроки на рынке беспроводных технологий, начиная от производителей наборов микросхем, и заканчивая операторами сотовой связи, изощряются в определении 5G и провозглашают себя лидерами 5G.

5G Что Это Такое? Все о Новом Поколении Связи

Давайте же разберемся в этой путанице. В данной статье мы постараемся объяснить, что же за штука такая – этот 5G.

Поколения связи 1G, 2G, 3G, 4G, 5G

Буква G в термине 5G обозначает поколение беспроводной технологии. Все поколения технически отличаются скоростью передачи данных, а также способами шифрования данных, или «эфирным интерфейсом», который делает технологию несовместимой с предыдущим поколением.

1G – это аналоговая сотовая связь. Технологии 2G, такие, как и CDMA, GSM и TDMA, — это первое поколение цифровых технологий сотовой связи. Такие 3G технологии, как EVDO, HSPA и UMTS обеспечивают скорость передачи данных от 200 килобайт до нескольких мегабит в секунду. 4G технологии WiMAX и LTE стали следующим скачком вперед. Скорость передачи данных связи четвертого поколения достигает сотен мегабит, или даже гигабит в секунду.

Так называемая «5G Эволюция» от компании AT&T – на самом деле не 5G

Компания AT&T недавно анонсировала запуск своей сети «5G Эволюция», которая на самом деле не является настоящей 5G сетью. На самом деле, это коммерческое название гигабитной LTE – самой новой модернизации технологии LTE сети 4G. Большинство операторов Соединенных Штатов собираются активно внедрять LTE в текущем году.

Гигабитная LTE технология совместима с существующими телефонами. Технология использует усовершенствованную версию существующего шифрования LTE, а также большее количество антенн и увеличенную степень агрегации несущих частот, что позволяет с большей скоростью совершать передачу данных.

Однако компания AT&T, вместе с распространением неправдивых слухов о 5G, настаивает на том, что LTE не скоро канет в небытие. По большому счету, 5G будет работать на очень высоких частотах, что требует расположения вышек и антенн в относительной близости друг к другу. Для большей площади покрытия, особенно в сельской местности, 5G будет основываться на 4G.

Технологии 4G так же будут улучшаться со временем. Компания Qualcomm анонсировала выход 4G модема X20, который способен передавать данные со скоростью 1,2 гигабит. Значительным достоинством технологии 5G станет большая мощность и малое время задержки. 5G станет гораздо мощнее и быстрее 4G технологий.

Запуск предварительной 5G сети от компаний AT&T и Verizon

Компании AT&T и Verizon анонсировали запуск домашней системы выхода в интернет на базе технологий 5G. Компании Samsung и Verizon на Всемирном мобильном конгрессе в феврале совместно представили антенны и роутеры, которые будут использовать 5G сервис компании Verizon.

Технологии, использованные в разработке домашней 5G сети, связаны с миллиметровым диапазоном волн беспроводного фиксированного доступа, который используют интернет-провайдеры Starry в Бостоне и Monkeybrains в Сан-Франциско. Однако благодаря AT&T и Verizon эти технологии получат гораздо более широкое распространение. К примеру, компания AT&T заявила о потенциальном использовании 5G в качестве замены устаревших технологий DSL, что позволит компании единолично предоставлять услуги домашнего 5G-интернета, беспроводной и стационарной телефонии, а также телевидения.

Но все это не имеет никакого отношения к 5G, поскольку связь пятого поколения будет запущена только в 2018 году. Но компания Verizon намеревается приблизить свои 5G сервисы к актуальным стандартам, а также использует как можно больше элементов грядущих 5G-систем.

Домашний 5G интернет демонстрирует одно самое главное преимущество над 4G – огромная мощность. Операторы не могут предложить домашний 4G интернет по конкурентной цене за 190Гб месячного потребления трафика для одного дома, поскольку 4G узлы связи не обладают достаточной мощностью. Это может значительно ужесточить конкуренцию провайдеров за домашний интернет жителей США, где, согласно отчету Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций за 2016 год, скорость домашнего интернета 51 процента американцев составляет 25Мб в секунду, или выше.

Для самих провайдеров подключение домашнего 5G интернета станет гораздо более облегченным, чем оптоволоконные линии связи, которые тянутся от дома к дому. Вместо перекапывания каждой улицы, провайдеру останется просто подключить оптоволоконный кабель к узлу связи, а пользователям раздать беспроводные модемы.

Хорошо, что же тогда такое «настоящая 5G связь»?

5G – это инновационная сеть, которая обладает гораздо большей скоростью передачи и мощностью, а также с меньшими временными задержками, чем другие существующие сотовые системы. Достоверные технологии, использованные при разработке 5G, нам еще предстоит узнать, но уже известно множество общепризнанных деталей.

Тип шифрования сетей 5G, который называется OFDM, похож на тип шифрования, использованный в технологиях LTE. Эфирный интерфейс будет характеризоваться меньшими временными задержками и большей гибкостью, чем LTE.

Инновационные сети, преимущественно, будут использовать очень высокие частоты, которые способны передавать огромный массив данных, но всего по несколько блоков одновременно. Технология будет работать в спектре от низких до высоких частот, однако значительное преимущество над 4G будет наиболее очевидным на высоких частотах. 5G так же может передавать данные на нелицензированных частотах, которые сейчас использует Wi-Fi, без конфликта с существующими Wi-Fi-сетями. Такая передача данных схожа с технологией LTE-U, запущенной компанией T-Mobile в текущем году.

5G, скорее всего, будет сетью малых сот, вплоть до размера домашних роутеров, а не размера огромных вышек, которые распространяют сигнал на большие расстояния. В некотором роде, причиной тому является природа задействованных частот, но основной целью остается увеличение мощности самой сети.

Сети 5G должны быть более усовершенствованы, чем предыдущие системы, поскольку они связаны с огромным количеством меньших сот. Даже с учетом существования макро-сот, компания Qualcomm заявляет, что мощность сетей 5G будет превышать мощность остальных сетей в четыре раза благодаря использованию более широкого диапазона частот и улучшенных антенн.

Целью является достижение гораздо большей скорости и большей мощности с меньшими временными задержками, чем в сетях 4G. Задействованные мероприятия по стандартизации своей целью считают достижение скорости 20 гигабит в секунду и задержки 1милисекунды. А это, согласитесь, очень интересно.

Для чего предназначена сеть 5G: для телефонов, машин или домов?

Беспилотные автомобили смогут использовать 5G для быстрого приведения в действие. Первое поколение беспилотных автомобилей будет автономным, но последующие поколения будут взаимодействовать с другими автомобилями и умными дорогами для повышения безопасности и управления автомобильным потоком. Проще говоря, на дороге все участники будут взаимодействовать друг с другом.

Для чего предназначена сеть 5G: для телефонов, машин или домов?

Для того чтобы это стало возможным, связь должна обеспечиваться с минимальными временными задержками. Поскольку машины обмениваться достаточно небольшим объемом информации, необходимо, чтобы передача происходила практически мгновенно. Вот здесь-то на арене и появляется 5G с задержкой в 1 миллисекунду. С помощью данной сети два автомобиля могут быстро обмениваться информацией, а также передавать информацию от одной машины к другой через небольшие соты на световой опоре.

(Примечание : одна световая миллисекунда равняется 186 милям, так что большая часть этой 1 миллисекунды – это время обработки данных)

Еще одной отличительной особенностью 5G является то, что к этой сети может подключаться гораздо больше устройств. На данный момент, 4G модули дорогостоящие, потребляют много энергии и требуют сложных схем обслуживания. По этой причине большинство устройств, требующих подключения к Интернету, продолжают взаимодействовать либо с Wi-Fi и другими домашними технологиями для рядовых пользователей, либо с 2G сетями для бизнеса. К 5G сетям смогут подключаться небольшие, недорогие, неэнергозатратные устройства. Таким образом, сети 5G будут предоставлять доступ к интернету небольшим устройствам и многим другим типам датчиков.

А что насчет телефонов? Самые значительные изменения 5G может привнести в область виртуальной и дополненной реальности. Поскольку телефоны превращаются в устройства, предполагающие использование гарнитуры виртуальной реальности, очень низкие временные затраты и постоянная скорость 5G сможет предоставить вам доступ к миру виртуальной реальности когда и где вы пожелаете. Благодаря своим небольшим сотам, 5G может способствовать распространению покрытия внутри помещений, так как эта технология предполагает, что домашний роутер станет отдельным узлом связи.

Когда стоит ожидать появления 5G?

Предварительный 5G от компаний AT&T и Verizon запустят в этом году, однако, официальный запуск 5G планируется на 2018 год, а широкое распространение – в 2019 году. Изначально график был распланирован на 2019-2020 года, однако провайдеры и производители оборудования разработали ускоренное расписание.

Это связано с презентацией новой линейки 5G модемов от компании Qualcomm. Один из крупнейших производителей микросхем заявляет, что новая мобильная платформа Snapdragon будет поддерживать 5G уже в 2019 году. Микросхемы Snapdragon – самые популярные платформы для смартфонов в США, так что, вероятно, уже в 2019 году мир увидит смартфоны с поддержкой виртуальной реальности и 5G.

Сотовая совершенствуется рывками. Переход от одной технологии к другой свидетельствует о вводе нового поколения. Именно поэтому, если упрощать, стандарты называются 1G, 2G, 3G и так далее - буква «g» в данном случае происходит от слова «generation». Давайте же постараемся понять, как развивалась мобильная связь. Заодно мы выясним, почему операторы не отказываются от поддержки старых стандартов.

Сейчас самое первое поколение сотовой связи принято называть 1G . Но в годы действия этих сетей никто о таком понятии не подозревал, тогда многие люди не думали о том, что в ближайшем будущем сотовая связь станет совсем другой. Итак, что же представляло собой первое поколение?

Фактически это была аналоговая связь. Её запуск был осуществлён компанией AT&T , а первый звонок состоялся 3 апреля 1973 года - его совершил Мартин Купер, являвшийся главой мобильного подразделения Motorola . Как и в случае со стационарной аналоговой связью, теоретически сотовый телефон можно было задействовать в качестве модема. Но решиться на это мог только какой-нибудь миллионер, ведь минута разговора в те времена стоила огромных денег.

Как и в случае с последующими поколениями, 1G - это лишь название, объединяющее под собой несколько разных стандартов. В Канаде, США, Австралии, а также Южной и Центральной Америке применялся стандарт AMPS . В странах Скандинавии и некоторых государствах получил распространение стандарт NMT и его разновидности. Ну а в Италии, Испании, Англии, Австрии, Ирландии и Японии применялось сотовое оборудование стандарта TACS . И это только три самых популярных варианта реализации сетей! Все эти стандарты были совершенно несовместимы друг с другом. Поэтому британец, приехавший в Америку, не мог разговаривать по своему собственному телефону. Друг от друга разные стандарты отличались не только диапазоном частот, но и радиусом соты, мощностью передатчика, временем переключения на границе соты и соотношением сигнала к шуму. Подробнее со всеми спецификациями вы можете ознакомиться в прилагающейся табличке.

Обычным людям сотовая связь первого поколения стала доступной далеко не сразу. Первое десятилетие некоторые компании занимались только экспериментами. Коммерческая реализация произошла только в 1984 году. Достаточно быстро стало ясно, что аналоговая сотовая связь имеет ряд недостатков. Во-первых, каждая сота имела малую ёмкость - при подключении к ней большого количества абонентов начинались серьезные проблемы. Во-вторых, качество сигнала было далеко от идеала, особенно если абонент находился не на улице, а в здании. Первыми об этих проблемах задумались европейцы. Они начали разрабатывать цифровую связь.

Второе поколение сотовой связи

В 1982 году Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств начала разрабатывать стандарт GSM . Вскоре его начали называть 2G-связью. Изначально GSM предназначался для стран-членов Европейского института стандартов в телекоммуникации. Но позже разработкой заинтересовались Средний Восток, Африка, Азия и Восточная Европа. Коммерческий релиз сетей стандарта GSM состоялся в 1991 году. Цифровой метод передачи данных позволял абонентам обмениваться SMS-сообщениями. А чуть позже им стал доступен выход в Интернет через протокол WAP .

Этот стандарт покорил не всех. Некоторые государства пошли по своему пути. Например, в США многие 2G-сети использовали стандарт D-AMPS . Лишь спустя какое-то время американцы перешли на GSM1900 . А в некоторых странах надолго завоевал популярность стандарт CDMA . Он не был совместим с GSM, поэтому под него разрабатывались отдельные мобильные телефоны.

Постепенно на прилавках магазинов стало появляться всё большее количество портативных устройств, умеющих выходить в глобальную паутину. В связи с этим сотовым операторам нужно было что-то делать, так как в 2G остро не хватало скорости передачи данных. Поэтому вскоре появилось промежуточное поколение сотовой связи, которое принято называть 2, . В этот стандарт внедрили поддержку технологии GPRS , а затем и EDGE . Отныне мобильным телефоном осуществлялась пакетная передача данных - абонент платил за конкретный объем трафика, а не за время соединения с сервером. Это не только сэкономило людям деньги, но и увеличило скорость передачи и приема данных. В 2G-сетях этот параметр равнялся 9,6 Кбит/с, тогда как поддержка телефоном поколения 2,5G позволяла выходить в интернет на скорости до 170 Кбит/с (GPRS) или даже 384 Кбит/с (EDGE). В некоторых странах эти две технологии называли совершенно по-разному, но суть от этого не менялась.

Выше вы видите табличку, в которой указаны конкретные отличия всех стандартов, принадлежащих к поколениям 2G и 2,5G.

Третье поколение сотовой связи

В IMT-2000 (так принято называть 3G в профессиональной среде) входят пять стандартов: CDMA2000 , W-CDMA , TD-CDMA/TD-SCDMA и DECT . Последний не является стандартом сотовой связи, так как он используется в домашней и офисной беспроводной телефонии. Остальные стандарты применяются для обеспечения связью владельцев мобильных телефонов. Все они имеют похожие спецификации. Интересно, что метод работы таких сетей был изобретён в СССР ещё в 1935 году. Однако долгое время данной технологией пользовались лишь военные. В гражданский сегмент она вышла только в середине 1980-ых годов, в силу необходимости развивать мобильную связь.

От 2G третье поколение в первую очередь отличалось повысившейся скоростью передачи данных. Если абонент стоит на месте, то он может скачивать данные на скорости около 2 Мбит/с. При неспешном шаге трафик загружается со скоростью примерно 384 Кбит/с. В транспортном средстве скорость падала ещё сильнее - до 144 Кбит/с.

С появлением смартфонов стало мало и вышеуказанных скоростей. Поэтому достаточно быстро стал популярным стандарт HSPA . Он ознаменовал собой приход поколения 3,5G. Наделенные его поддержкой сотовые телефоны научились передавать данные со скоростью 14,4 Мбит/с. И это было только начало! В дальнейшем стандарт совершенствовался, в результате чего теоретически оказалась достижима скорость 84 Мбит/с. В основе HSPA заложена многокодовая передача данных при сопоставимых размерах сот.

Четвертое поколение сотовой связи

В конце 2000-ых годов на свет стали появляться «айфоны» и «андроиды». Эти смартфоны отличались от предшественников крупным ЖК-дисплеем. Теперь уже никому не хотелось просматривать скромные WAP-странички. Отныне встроенных комплектующих вполне хватало для того, чтобы браузер без каких-либо проблем отображал полноценную страницу, насколько бы тяжелой она не было. Но для её быстрой загрузки требуется высокая скорость. Обеспечить её мог только совершенно новый стандарт. Активная популяризация 4G, или IMT-Advanced , началась в марте 2008 года.

Результатом работы ученых стали два стандарта: WiMAX и LTE . Сейчас вы сами знаете о том, какой из них получил наибольшее распространение. Внедрение LTE позволило существенно увеличить емкость каждой соты, хотя ареал её действия при этом уменьшился. Теперь минимальная скорость передачи данных составляла 100 Мбит/с, чего хватает большинству среднестатистических владельцев смартфон. В дальнейшем этот параметр вырос ещё сильнее. Случилось это за счет реализации технологии LTE-Advanced . В зависимости от категории поддерживаемой аппаратом технологии, может достигаться скорость 400 Мбит/с или даже 1 Гбит/с!

В отличие от предыдущих поколений, стандарт LTE изначально предназначался только для пакетной передачи данных. Но со временем стала доступной и цифровая передача голоса - за это ответственна технология VoLTE . Качество звука при этом гораздо выше, нежели при разговоре посредством сетей 2G или 3G. Однако до сих пор эту технологию поддерживают далеко не все смартфоны.

Пятое поколение сотовой связи

Сейчас идет активная разработка 5G. Возможностей LTE в плане передачи данных вполне хватает. Поэтому при разработке нового стандарта наибольший упор делается на ёмкость сот. Ведь количество абонентов растёт всё сильнее. Больше всего 5G облегчит жизнь создателям носимых устройств и девайсов, объединяющихся в систему «Умный дом». Ожидается, что только на площади в 1 км 2 будет возможно подключение к сети одного миллиона гаджетов! По состоянию на начало 2017 года новое поколение только тестируется. Когда нас ждет полноценная его эксплуатация - не ясно.

Поддержка старых стандартов

Как известно, сотовым операторам приходится размещать на своих вышках гору оборудования. В теории можно было бы заменить 2G-передатчики на 3G-передатчики. Но сделать это - значит лишить связи владельцев мобильных телефонов, работающих только в стандарте GSM. Это привело бы к огромным убыткам, так как даже сейчас подобными аппаратами пользуется огромное число людей - все они тут же перешли бы к другому оператору. Вот и получается, что оборудование приходится дополнять, а не менять.

В обозримом будущем отказа от устаревших стандартов не случится. Объясняется это двумя причинами:

Кнопочные телефоны до сих пор производятся, а они зачастую не поддерживают даже 3G, не говоря уже о сетях четвертого поколения;
2G-оборудование покрывает сетью более обширную территорию, нежели 3G- или 4G-передатчики аналогичной мощности - это позволяет избавить определенную территорию от «белых пятен».

Теперь вы знаете об основных отличиях разных стандартов. Если вкратце, то в первую очередь изменению подвергались ёмкость сот, ширина покрытия (каждый раз в меньшую сторону, так как таковы законы более высокочастотных сигналов) и скорость передачи данных.