Большинству современных гаджетов нужен интернет и подключаются они к нему без проводов, при помощи радиоволн. Совокупность параметров этих радиоволн, технология передачи и протоколы, по которым данные дешифруются в звук, видео или текст – называется стандартом мобильной связи.
Все началось со стандарта 1 G, впоследствии технология постепенно совершенствовалась. G – в названии, первая буква от английского слова Generation – поколение. Сейчас, в Украине и значительной части других стран наиболее распространен стандарт 4G. Уже разработан и постепенно внедряется 5G, полный переход на который планируется к 2030-2035. Тем временем ученые уже разработали техническую документацию с предполагаемыми возможностями и особенностями 6G стандарта, но его появление пока не анонсировано.
Содержание:
Эволюция стандартов телефонии и беспроводной передачи данных
Все сети первого стандарта мобильной телефонии 1G были аналоговыми и позволяли передавать только звуковой сигнал. Первые сотовые телефоны и сети для их обслуживания появились в США и Канаде, немного позже свои аналоги разработали европейские страны. Частота работы этих сетей была от 120 до 900 МГц.
Стандарт 2G, разработанный в 1992 использовал цифровую передачу данных. Стало возможным передавать текст. Для передачи информации использовались протоколы GPRS* (до 53,6 Кб/сек) или EDGE** (до 200 Кб/сек) в зависимости от конкретного оператора и технического оснащения его сети. По сегодняшним меркам это крайне медленно. Полноценную интернет страницу 2G не “тянул” приходилось пользоваться “облегченными” wap-сайтами.
В 2000 году появился 3G – следующий стандарт мобильной радиосвязи который назывался UMTS. Он позволял развить скорость передачи данных до 384 кбит/с. Позже были разработаны HSDPA и HSDPA+ – обновления стандарта 3.5G позволяющие достичь 7,2 Мбит/с и 42 Мбит/с соответственно.
* GPRS – надстройка над технологией мобильной связи GSM, которая может осуществлять пакетную передачу данных. Тарификация за ее использование происходила по объему полученных и отправленных данных;
** EDGE – цифровая технология беспроводной передачи данных функционировавшая в сетях 2G и 2.5G, тарифицировалась по аналогии с GPRS
Различия между актуальными стандартами связи
В данной таблице мы приводим самые основные различия между сетями трех поколений, уходящего 4G, постепенно набирающего актуальность 5G, и разрабатываемого на перспективу 6G. Далее, мы разберем эти различия детальнее, и объясним с чем связан количественный рост основных параметров.
Параметры/стандарт | 4G | 5G | 6G |
|---|---|---|---|
Используемые частоты радиосигнала, ГГц | 6 | 20-300 | 20-300 |
Максимальная скорость, Гб/сек | 1 | 10-35 | 1000 |
Время задержки | 20-30 мс | до 10 мс | менее 100 мкс |
Количество подключений на 1 км² | до 100 тысяч устройств | до 1 млн устройств | пока неизвестно |
Максимальная скорость перемещения без потери сигнала, км/час | до 120 | до 350 | пока неизвестно |
4G – наиболее распространенный стандарт связи
Разработки по внедрению 4G начались еще в 2000, до внедрения третьего поколения. Пионером в этом были концерны Hewlett-Packard и NTT DoCoMo, также в данном направлении работала корпорация Ericsson.
Впервые в бизнес-сегменте технология 4G на базе стандарта LTE была запущена в Осло и Стокгольме в 2009, Спустя год в Норвегии и Швеции зона покрытия расширилась еще на 30 городов.
Сейчас этот стандарт используется всеми украинскими мобильными операторами, вся инфраструктура связи построена на нем. В Украине для 4G выделен частотный диапазон 1,8 ГГц. Стандарт поддерживают все выпущенные после после 2012 гаджеты. Максимально возможная скорость передачи данных – 1000 Мбит/сек, но, на практике вы получите около 100 Мбит/с в лучшем случае, даже если оператор заявляет, например, 150 Мб/сек (из-за потерь при передаче, и избыточное количество подключаемых к сети устройств на один км² пользователей и т.д).
Помимо уже упомянутых скоростных показателей есть еще несколько критериев по которым сети относят к группе 4G:
коммутация пакетов с использованием IP-технологий;
скорость передачи данных сохраняется даже для тех пользователей, которые перемещаются со скоростью от 10 до 120 км/час;
работает динамическое распределение сетевых ресурсов для оптимизации единовременных подключений к одному ретранслятору (вышке);
поддержка плавного перехода абонента от одной базовой станции к другой без пропажи сигнала.
Для приема/передачи данных используются USB модемы с поддержкой 4G или маршрутизаторы. При этом передача сигнала осуществляется по WiFi сети на частотах 2,4 или 5 ГГц. Радиочипы для приема/трансляции на стандарте 4G встречаются в планшетах, мобильных телефонах, Smart-часах.
Сферы применения:
сфера безопасности. Системы цифрового наведения,
медицина;
охрана общественного порядка;
логистика;
частный сектор.
5G – стремительно наступающее будущее
Первые исследования по разработке нового стандарта начались еще в 2008. А к 2012 в Великобритании основали исследовательский центр 5G, с перспективой сменить 4G (предполагаемо через 10 лет). В мае 2013 Samsung Electronics сообщила о создании аппаратной базы для 5G-системы. Первые тестирования показали скорость передачи данных на уровне 1.056 Гбит/с (на расстояние в 2 км от источника радиосигнала). В конце 2016 компания Qualcomm представила первый мобильный модем с поддержкой 5G. В том же году новые тесты показали скорость передачи в 5 Гбит/сек, чего оказалось достаточно для трансляции потокового видео в 8K Ultra HD разрешении.
Единый глобальный стандарт
При подготовке к развертыванию сетей пятого поколения ряд международных организаций ведет активную работу по разработке единого стандарта, которого не было в случае с 4G LTE. Такие изыскания ведутся:
3GPP – основанный для стандартизации 3G консорциум, сейчас работает над унификацией 5G для нужд корпоративного сегмента беспроводной связи;
ITU-R – подразделение ООН, которое отвечает за коммуникационно-информационные технологии. Здесь работают над стандартизацией радиосвязи и осуществляют управление международным спектром радиочастот. Именно в ITU-R, в 2015, сформулировали основы стандарта IMT-2020 с требованиями к новой технологии и ее аппаратной базе.
Частотный диапазон аппаратуры, работающей на 5G
Большинство новостей в прессе обещают нам частоты 3,4–3,8 ГГц и сложилось мнение, что все 5G сети будут работать именно в этом диапазоне. Но это не так, использоватся будут и низкие частоты, и даже сверхвысокие, вплоть до 70 ГГц.
Переход в эти диапазоны не случаен – в спектре ниже 6 ГГц наблюдается острая нехватка частот, их занимают военные, медицина, коммунальные службы.
Всего выделяются два частотных охвата:
Frequency Range 1 или диапазон sub-6 GHz. То есть все что ниже 6 ГГц. Причем в этом спектре проявляется еще одно преимущество 5G, на тех же волнах что и LTE новые сети будут на 30% эффективнее. Это достигнуто за счет совершенствования технологии кодирования сигнала;
Frequency Range 2 – освоение новых частот миллиметрового спектра. Здесь нижняя граница 24 ГГц, а потолок ~50-70 ГГц (разброс зависит от аппаратных возможностей конкретного оператора и страны). Дальность распространения этих волн довольно мала и их распространение будут обеспечивать Small cells – малые соты. Они-то, частично, возьмут на себя роль прежних базовых станций – покрывающих радиус в десятки километров.
Ширина полосы сигнала
Этот параметр определяет максимальный объем данных, который мы можем передавать и принимать за единицу времени. Сейчас в LTE выделяют полосы в 5, 10, 20 МГц, которые объединяются в каналы до 100 МГц в сумме. Когда частотный диапазон sub-6Ghz будет переориентирован на 5G одну полосу можно будет расширить до 100 МГц, а в миллиметровом диапазоне и вовсе можно будет создавать каналы от 300 до 800 МГц. Увеличение ширины частотной полосы даст существенный прирост быстродействия.
Как все эти частоты будут использоваться в сетях 5G
В основе протоколов, на которых будет построен новый стандарт связи, лежит концепция Network slicing – она состоит в разделении ресурсов сети согласно нуждам различных сегментов ее пользователей. Аппаратная инфраструктура (физическая), обеспечивающая функционирование сетей, делится на виртуальные платформы, каждая из которых должна задействовать ресурсы и технологии необходимые для решения задач конкретной группы пользователей.
По стандарту IMT-2020 базовых сценариев использования всего 3:
eMBB — Enhanced Mobile Broadband/Улучшенная Мобильная Широкополосная связь. В помещениях будут доступны скорости до 1 Гб/сек, на открытом пространстве до 300 Мб/сек. Но эти скорости будут доступны только когда начнут устанавливать уже упомянутые Small Cells – антенны, работающие в миллиметровом диапазоне (mmWave). Они миниатюрные, и легко размещаются на фонарных столбах, деревьях, стенах зданий не сильно влияя на ландшафт;
URLLC — Ultra Reliable and Low Latency Communications/Сверхнадежные коммуникации с низкой задержкой. Этот сегмент важен там, где приоритетна именно низкая задержка сигнала – для авто пилотируемого транспорта, например, где в аварийной ситуации на принятие решения выделены миллисекунды. Эта технология должна вскоре заменить спутниковую навигацию. Использовать ее будут также в логистических блокчейн-сетях отслеживающих путь товара от производства до потребителя;
мMTC — massive Machine Type Communication/Массовые межмашинные коммуникации. Межмашинные коммуникации (M2M), а также IoT (Internet of Things – интернет вещей) – отдельный сегмент подключаемых к сетям 5G устройств. Здесь акцент на стабильность и непрерывность подключения. Речь в основном о датчиках, сенсорах и всех измерительных устройствах используемых в инфраструктуре “умного дома/города”.
Также, для разной длины волн, лучше всего подходят определенные сценарии:
низкие частоты 0,5–1 ГГц лучше всего проникают в закрытые помещения. Именно они обеспечат бесперебойную работу IoT в домах будущего, а также M2M взаимодействие на производствах;
средний спектр (mid-band frequencies) – от 1 до 6 ГГц оптимален для начального внедрения eMBB, а далее и URLLC с mMTC;
миллиметровые волны (более 24 ГГц) покроют все сегменты использующие 5G в местах наиболее загруженных по трафику (Hot spot). Имеются ввиду большие скопления пользователей в мегаполисах, индустриальных зонах, на развлекательных площадках.
Преимущества стандарта связи 5G
С первого взгляда главное отличие от 4G именно в скорости – она заметно выше, ниже задержки, можно передавать уже упомянутый 8K-контент и само подключение будет в разы быстрее. Там где загрузка стандартной интернет-страницы была очень быстрой – с 5G она станет мгновенной, человеческому глазу трудно будет отследить изменения.
У многих пользователей домашняя сеть, работающая через WiFi-роутер предлагает скорости от 20-ти до 80 Мбит/сек, а самые дорогие тарифные планы предлагают 1-2 Гб/сек. А это только начало возможностей 5G стандартов. Нужны ли подобные скорости большинству пользователей, если им хватало домашнего широкополосного интернета?
Скорее всего, вопрос будет стоять иначе. В будущем многим выгоднее будет купить специальный 5G маршрутизатор с сим картой провайдера и раздавать интернет на домашние устройства быстрее, чем сейчас на это способно актуальное подключение через Ethernet кабель. Таким образом мобильные провайдеры могут отвоевать эту нишу у местных компаний там, где нет конкуренции и цены у единственного доступного оператора интернета сильно завышены.
Но это только вершина айсберга и из самых важных преимуществ 5G стоит выделить несколько основополагающих:
увеличение количества подключаемых единовременно устройств до миллиона на квадратный километр (против 100 тысяч устройств у 4G). Для пользователя мобильной связи это едва ли может стать проблемой, разве что он попадет на концерт всемирно известной группы на стадионе и только тогда сможет ощутить просадку сигнала передачи.
Но одно из главных предполагаемых сфер применения 5G – интернет вещей. И здесь эта особенность увеличивающая в 10 раз плотность подключаемых устройств на единицу площади станет решающей. Ведь даже на 10 квадратных метрах квартиры будущего может размещаться 2-3 десятка гаджетов активно использующих подключение к облаку через интернет. Здесь же стоит упомянуть и беспилотные автомобили, использующие для навигации GPS нового поколения, сигнал которого распространяется гораздо быстрее;оптимизация передачи сигнала. 4G-антенны и усилительные станции имеют КПД гораздо ниже чем 5G вышки. Когда стандарт предыдущего поколения направляет радиосигнал на определенную площадь, расходуя энергию впустую, 5G излучатель нацеливается на конкретные устройства – оптимизируя неоправданные потери;
высокая энергоэффективность. По сравнению с LTE новый стандарт будет потреблять почти на четверть меньше электроэнергии для приема-передачи сигнала. Это преимущество логично вытекает из предыдущего пункта и оно будет решающим для мобильных устройств нового поколения, в которых идет борьба за каждую минуту автономной работы. Так смартфон с 5G модулем будет расходовать примерно на 20% меньше энергии в режиме веб-серфинга.
Возможности по применению 5G
На самом деле спектр применения технологий 5G настолько широк, что перечислить все возможности в рамках одного материала практически нереально. Поэтому мы выделим только определяющие направления:
Интернет вещей (IoT). Реализует концепции “умного дома” и “умного города” – все устройства и системы пользователей объединяются в общую сеть с удаленным управлением и постоянным администрированием. В случае умного дома это техника, бытовые приборы, включатели, лампы, системы кондиционирования, обогрева и т.д. На индустриальных объектах и в городской инфраструктуре это все измерительные приборы, камеры, станки – доступ к ним обеспечат быстрые ЦОДы, обеспечивающие работу сервисов обслуживания городского транспорта, предоставления админуслуг и т.д;
беспилотный транспорт. С появлением и развитием 5G изменится до неузнаваемости сфера логистики. Грузоперевозки могут стать полностью автономными, беспилотники будут использоваться в городских такси, не понадобятся операторы при работе сельхозтехники;
облачные технологии. Здесь перспективы действительно огромны. Речь идет о том, чтобы запускать на смартфоне средней мощности профессиональные приложения из облака, которые используют ресурсы мощного сервера, а не вашего устройства. Например, nVidia уже представила 3 годами ранее облачный сервис, позволяющий играть в новейшие игры даже на относительно слабых ноутбуках. Возможности облачного гейминга тогда были ограничены именно пропускной способностью 4G, сейчас этот лимит уже не будет проблемой. И речь не только об играх – все пользователи могут со смартфона совершать операции, которые требуют высокой аппаратной мощности – это открывает новые горизонты для бизнеса, корпоративного управления, сетевого администрирования и т.д;
здравоохранение. Быстрая и качественная связь даже с самым отдаленным регионом даст возможность получить экстренную помощь от медиков при любых непредвиденных ситуациях. Также, высокая скорость 5G позволит проводить удаленные операции опытнейшим хирургам независимо от местанахождения по совершенной 8K видеосвязи. И, если в бытовых задачах, столь высокая скорость интернета избыточна, то в микрохирургии это насущная необходимость. Также возможно создание централизованной базы данных с фитнес-трекеров, которая поможет вашему семейному терапевту заметить многие сбои в работе организма на ранней стадии автоматически;
виртуальная и дополненная реальность (VR/AR). Здесь речь тоже не столько о развлечениях, но об интерактивном обучении новой генерации – это удешевит подготовку кадров в астронавтике, авиации, сложных инженерных отраслях.
Скоро и в Украине
В нашей стране развертывание сетей 5G запланировано на 2022. План по их внедрению уже утвердили в министерстве цифровой трансформации. Согласно этому плану под работу обновленных сетей 5G выделят частотные диапазоны двух видов: низкие – около 700 МГц и высокие 3,4-3,8 ГГц. В соответствии с Соглашением об ассоциации с ЕС Украина обязана привести свое законодательство в соответствии именно с этими диапазонами частот, которые используются также во всей Европе.
Уже утвержден роадмап и к декабрю 2021 должны пройти тендеры на частоты для развития 5G. После тендера планируется выдача лицензий операторам, чтобы в начале 2022 они могли начать развертывание инфраструктуры.
Как подготовится к появлению 5G сетей в нашей стране
На розничном рынке уже появились маршрутизаторы, модемы и некоторые гаджеты с поддержкой 5G. Но, первым делом, новый стандарт будет наиболее актуальным для смартфонов. Мобильных с поддержкой 5G уже довольно много – это модели от ведущих брендов: Apple, Samsung, Xiaomi, ASUS.
Как и в случае с 4G, в свое время, скорее всего придется заменить у вашего оператора sim-карту, как только провайдеры закончат развертывание сети в Украине.
6G сети в ближайшем будущем?
В 2019 операторы всех ведущих стран завершили разработку документа под названием "Deliverable: «New Services and Capabilities for Network 2030: Description, Technical Gap and Performance Target Analysis". В нем собраны предположительные параметры будущего стандарта связи.
Состоянием на начало 2020 в состав объединения 6G/NET-2030 входят несколько исследовательских групп, чьи усилия направлены на разработку тех технологии, которые нельзя было реализовать в рамках внедрения сетей 5G/IMT-2020.
Среди этих организаций американский межуниверситетский проект ComSenTer, финская исследовательская группа Оулу, которая уже объявила о запуске первого тестового сегмента инфраструктуры 6Genesis и китайский Southeast University из провинции Цзянсу.
Предполагается что новый стандарт будет использовать терагерцовый и субтерагерцовый диапазоны частот, что уменьшит латентность (уровень задержки) примерно в 10 раз. Это даст нам скорости от 100 Гбит/с до 1 Тб/сек, что, в свою очередь, приблизит создание сетей управляемых искусственным интеллектом.
На мероприятии Huawei Global Analyst один из инженеров компании Чжицзюнь раскрыл сроки запуска нового стандарта 6G. Это произойдет в начале 2030. Также, Huawei пообещала вскоре предоставить технический документ анализирующий перспективы нового стандарта связи. С прогнозами топ-менеджмента Huawei согласны и аналитики Bloomberg, которые также прогнозируют появление 6G сетей в 2030.
Итоги
Развитие стандартов связи – одна из определяющих вех нашего прогресса. Это связано с тем, что в скорость и надежность обмена данными упираются возможности всех автоматизированных систем. Интернет вещей, беспилотный транспорт, облачные сервисы будущего, более совершенная медицина, умные дома и города – все это станет ближе с внедрением 5G. А с появлением 6G наверняка появятся новые возможности.