Rusbase
5G: как работает технология и
зачем нам это нужно
19 ноября 2019



5G — одна из самых обсуждаемых технологий конца десятилетия. В августе 2019 она достигла пика завышенных ожиданий согласно Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies. Как и во многих аналогичных случаях, информационное пространство насыщено субъективными оценками и фрагментарными сведениями. Постараемся структурировать понимание 5G с точки зрения целей, технологических параметров и пользовательского опыта.
Что такое 5G
Это новое поколение мобильной связи, обладающее рядом принципиальных преимуществ по сравнению с 4G:

  • Более высокая скорость передачи данных;
  • Низкая задержка сигнала;
  • Возможность подключения большего числа девайсов;
  • Высокая энергоэффективность;
  • Многократно возросшая пропускная способность;
  • Высокая мобильность пользователей.

Внимания заслуживает ещё одно важное отличие 5G — масштабная виртуализация. Новая технология выходит за рамки одних лишь аппаратных решений. Многие функции в ней реализованы не на уровне физической инфраструктуры, а программным способом.

Ключевым аспектом технологии наряду с параметрами мощности сети является продуктовый подход. Частотные диапазоны, конструктивные особенности станций и программные компоненты будут адаптированы к потребностям различных категорий потребителей — от пользователей гаджетов до промышленных предприятий и городской инфраструктуры.

Раньше каждое поколение мобильной связи опережало предшествующее главным образом по физическим характеристикам. 5G расширяет контекст, предлагая новое понимание технологии: инновационная платформа, на основе которой дополнительный импульс к развитию получат сразу многие отрасли. Это означает появление совершенно новых сервисов, бизнес-моделей, типов взаимодействия между устройствами, производственных цепочек и инфраструктуры.
Как появилась технология
Поколения в мобильной связи сперва были довольно условным понятием, но в ретроспективе хронология их развития выглядит так:

1G — ~1980. Аналоговая сотовая связь.
2G — ~1990. Первое поколение цифровых мобильных технологий: CDMA, GSM, TDMA. SMS как киллер-фича.
3G — ~2000. Мобильный широкополосный доступ, скорости в несколько мегабит в секунду: EVDO, HSPA, UMTS;
4G — ~2010. Массово доступный мобильный интернет вплоть до гигабитных скоростей: LTE, WiMAX.

В рамках подготовки к развёртыванию сетей пятого поколения мы наиболее близки к единому глобальному стандарту. Его разработку ведёт ряд международных организаций, среди которых:
3GPP
Основанный для стандартизации технологии 3G консорциум, стал одной из ведущих организаций отрасли, объединив международные регуляторы и корпоративных игроков для совместной разработки стандартов беспроводной связи.
ITU-R
Подразделение ООН, занимающееся коммуникационными технологиями. Оно контролирует процесс стандартизации технологий радиосвязи, осуществляет управление международным радиочастотным спектром.
Работа над 5G началась в 2015 году, когда ITU-R был сформулирован стандарт IMT-2020, содержащий ключевые требования к технологии нового поколения. В сравнении с предыдущим стандартом IMT-Advanced, актуальным для 4G, они выглядят следующим образом:
ITU-R является организатором Всемирной конференции радиосвязи (ВКР или WRC). Каждые три-четыре года на конференции обсуждаются ключевые вопросы развития глобальной радиосвязи и принимаются стратегические решения.

В 2015 в рамках WRC-15 согласовано решение о выделении частотного диапазона 3,4–3,6 ГГц для мобильной широкополосной связи (MBB) — именно эти частоты станут основой 5G для широкого круга пользователей, как минимум, в Европе и США. С 28 октября по 22 ноября 2019 года запланировано проведение WRC-19, на повестке которой, в частности, распределение полос в диапазоне выше 6 ГГц.

В свою очередь, 3GPP взяли на себя разработку технологии радиодоступа (Radio Access Technology) нового поколения — 5G New Radio или 5G NR. Консорциум работает над стандартами и спецификациями, определяющими будущий облик технологии и нового поколения мобильной связи в целом. Наиболее актуальные из них: сборник "Release 15", выпущенный в июне 2018 и содержащий первичные требования к 5G, а также находящиеся в процессе разработки "Release 16" и "Release 17".
Частотный спектр
Если кликбейтные заголовки и восторженные посты в соцсетях внушили вам, что 5G — это повсеместный охват, гигабитные скорости, и диапазон частот где-то в районе 3-4 ГГц, то вас ввели в заблуждение. Ситуация во многом более прозаичная и сложная.

Во-первых, переход в диапазон более высоких частот не связан напрямую с увеличением скорости. Во-вторых, спектр гораздо обширнее, чем пресловутый диапазон 3,4–3,8 ГГц. 5G будет использовать даже такие "вышедшие из моды" частоты, как 700 МГц, а также забираться выше — вплоть до 70 ГГц.

Наконец, на первых порах не стоит ожидать ошеломляюще высоких скоростей, особенно рядовым пользователям. Разумеется, это реальная перспектива, но прежде чем будет развёрнута инфраструктура в диапазоне миллиметровых волн (mmWave) — наиболее коротких, быстро гаснущих, но обеспечивающих скорости в несколько гигабит в секунду — существующие мощности обеспечат не столь существенный рост параметров.

Основная причина перехода в новые диапазоны — нехватка частот в спектре ниже 6 ГГц. Чтобы предоставить операторам свободные частоты, а заодно и более широкие полосы, в рамках которых можно передавать больше данных, разрабатывается новое поколение мобильной связи.
Учитывая нерешённые вопросы с частотами в «низких» диапазонах, первые сети 5G NR в России, вероятнее всего, будут появляться в миллиметровом диапазоне точечно: в местах активного потребления данных и спроса на новые цифровые услуги. В первую очередь это деловые и производственные кластеры, центры городов, объекты транспортной инфраструктуры.
Алексей Меркутов, Руководитель отдела по работе со СМИ ПАО «МТС», Пресс-секретарь Группы МТС
Если подходить формально, то в рамках 5G NR выделяется два диапазона:
1
Frequency Range 1
FR1 включает традиционные частоты, так называемый диапазон sub-6 GHz, то есть ниже 6 ГГц. Часть диапазонов предыдущих поколений будут переданы под нужды 5G благодаря рефармингу частот. Более совершенные технологии кодирования позволят новому поколению связи быть на 30% эффективнее, чем LTE, в том же спектре.
2
Frequency Range 2
FR2 — принципиально новые частоты миллиметрового диапазона. Они стартуют с отметки в 24 ГГц, поднимаясь до ~50 ГГц и выше в зависимости от страны и оператора. Эти частоты имеют малую дальность распространения и проникающую способность. Их функционирование обеспечат не традиционные базовые станции, а Small cells — многочисленные малые соты.
Ширина полосы
Ширина полосы определяет объём передаваемых данных. Чем она шире, тем больше информации можно с её помощью доставить. На данный момент наиболее распространённой практикой является выделение полос в 5, 10, 20 МГц, объединяемых вместе до каналов в 100 МГц. Когда диапазоны sub-6 Ghz массово переориентируются на 5G, в них будет возможно расширение полос и до 160 МГц, а в миллиметровом диапазоне речь пойдёт о каналах в 300, 400 и вплоть до 800 МГц для фиксированного доступа, согласно планам Verizon.
FR1 неоднороден в различных регионах мира. Так, в Европе и США планируется использовать диапазон 3,4-3,8 ГГц, и наиболее серьёзные разработчики технологий ориентируются именно на него. С другой стороны, Восток — Япония и Китай — планируют использовать 4,4-4,99 ГГц. Россия из-за нехватки частот в «западном» спектре планирует задействовать тот же диапазон, что и азиатские соседи.

На этот счёт ведутся дискуссии: существуют опасения, что дефицит совместимого оборудования увеличит издержки операторов и скажется на качестве работы отечественных сетей. В то же время компромисс рассматривается всерьёз, и, возможно, необходимые частоты будут выделены.
Рефарминг частот
Рефарминг частот — явление не уникальное для 5G, но также примечательное. Дело в том, что каждое последующее поколение мобильной связи отличается от предыдущих не просто сменой диапазона, но и новыми технологиями кодирования. При этом сохраняется возможность работы на базе инфраструктуры предыдущего поколения. То есть станции, задействованные ранее для LTE или, к примеру, для GSM, продолжат функционировать на тех же частотах, но теперь будут передавать данные на основе технологий 5G.

Рефарминг позволит сэкономить на инфраструктуре, обеспечив оптимальное покрытие для сетей нового поколения. Начальный этап их запуска на существующем оборудовании, обслуживающем сети 4G — это фаза NSA (Non-standalone). Позднее по мере подготовки необходимой инфраструктуры мы сможем воспользоваться SA (Standalone) сетями 5G, поддерживающими полный спектр преимуществ нового поколения.
Переход к Standalone архитектуре будет определяться требованиями рынка и в частности потребностями mission critical сервисов. На текущий момент все запущенные и запускаемые сети 5G реализованы на базе non-standalone архитектуры, что подразумевает наличие LTE в качестве базового слоя сети 5G.
Александр Балюк, руководитель департамента по внедрению новых технологий ПАО «ВымпелКом»
Для кого это актуально
5G ассоциируется со сверхскоростным интернетом, AR/VR, умным домом, беспилотным транспортом. Но помимо потребительского назначения у технологии существует и промышленный аспект. Более того, главный заказчик нового поколения связи — именно корпоративный сектор. Самый стремительный рост по объёму передаваемых данных и количеству устройств показывает сегмент интернета вещей, в том числе промышленного.
Как показал мировой опыт коммерческого запуска сетей 5G, число абонентов с терминалами 5G растёт в несколько раз быстрее, чем это было в сетях 3G и LTE. Например, в сетях 3G срок, когда база достигла 500 млн пользователей, составил 10 лет. Такое же число пользователей в сетях 4G появилось за 5 лет. По прогнозам аналитиков, в сетях 5G этот порог будет достигнут за 3 года.

Александр Балюк
руководитель департамента по внедрению новых технологий ПАО «ВымпелКом»
Network slicing / Нарезка сети
Network slicing — концепция, согласно которой сетевые ресурсы дифференцируются для нужд различных сегментов потребителей. Физическая инфраструктура делится на виртуальные платформы, каждая из которых задействует те ресурсы и технологии, которые лучше всего подходят для решения её задач.
Согласно IMT-2020, существует три базовых сценария использования мобильной связи 5G:
1
eMBB — Enhanced Mobile Broadband / Улучшенная Мобильная Широкополосная связь
Привычный пользовательский интернет, но более быстрый и качественный. Скорость внутри помещений сможет достигать 1 Гбит/с, а на улице — до 300 Мбит/с. Предельные скорости станут возможны на этапе установки наиболее совершенных антенн, работающих в миллиметровом диапазоне (mmWave). Они удачно впишутся в ландшафт благодаря своим незначительным размерам — например, на столбах, деревьях, стенах зданий.
2
URLLC — Ultra Reliable and Low Latency Communications / Сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой
Коммуникации, в которых важна не столько скорость, сколько низкая задержка. Это актуально для автономного транспорта, которому в критической ситуации для принятия решения может понадобиться менее миллисекунды. В настоящее время идёт дискуссия о замене подобными технологиями спутниковой навигации.
3
мMTC — massive Machine Type Communication / Массовые межмашинные коммуникации
Межмашинные коммуникации или M2M, а также IoT — отдельный сегмент потребителей связи 5G. Он характеризуется подключением большого числа устройств, чаще всего промышленных, с низким энергопотреблением, для которых основным требованием является стабильность и надёжность подключения. Это, в частности, измерительные устройства, датчики, сенсоры, объекты инфраструктуры умного города.
Для каждого из слоёв подходит определённый спектр частот и инфраструктура:

  • Радиоволны в диапазоне низких частот, до 1 ГГц, благодаря своей проникающей способности хорошо работают в закрытых помещениях. Они обеспечат работу систем IoT, умных домов, M2M. Также частота 700 МГц может использоваться для обеспечения связью удалённых населённых пунктов.
  • Средний спектр или mid-band frequencies (1-6 ГГц) сочетает в себе оптимальную ёмкость и покрытие для первичного внедрения eMBB, а далее — URLLC и mMTC.
  • Миллиметровые волны (>24 ГГц) реализуют всю полноту возможностей 5G. Приоритетная сфера применения — высоконагруженные зоны трафика (хот-споты), массовые скопления пользователей.
Release 16, разрабатываемый 3GPP, дополнит этот перечень новыми сценариями, среди которых:

  • V2X (Vehicle-to-Everything) — передача данных с низкой задержкой между движущимися беспилотными транспортными средствами и облачными дата-центрами для удалённого управления и обслуживания.
  • Satellite access — спутниковый доступ.
    Коммерческое внедрение сетей новейшего поколения может произойти уже в 2021-2022 годах, что придаст развитию цифровой экономики и инфраструктурных проектов дополнительный импульс. Так, согласно программе «Цифровая экономика РФ», уже к 2022 году необходимо обеспечить широкое коммерческое использование 5G в пяти городах с населением от 1 млн человек, а уже к 2024 году — в 15 городах-миллионниках.
    Игорь Жижикин, директор «Tele2 Москва»
    Источник: Lisic, Shutterstock
    Кейсы применения 5G
    Про сферы применения 5G сказано более чем достаточно — это популярная тема, и детали интересных кейсов вы можете найти без труда. Перечислим основные из них.
    Интернет вещей (IoT)
    Сюда входит концепция умного дома, производственные и вычислительные мощности (IIoT), инфраструктура умного города. Устройства и системы объединяются в общую сеть с дистанционным управлением и контролем при минимальных задержках. В первом случае это могут быть бытовые приборы, климат-контроль, системы экстренного оповещения. На индустриальных объектах 5G обеспечит быструю качественную связь между станками, измерительными приборами и ЦОДами. Жители городов смогут воспользоваться бесперебойным оперативным доступом к различным сервисам: центрам государственных услуг, городскому транспорту и не только.
    Беспилотный транспорт
    Автономные грузоперевозки, городское такси, сельскохозяйственная техника — множество видов транспорта может быть переведено на беспилотный режим с целью обеспечения большей точности, надёжности и безопасности процессов.
    Облачные технологии
    Хранение данных, моментальная загрузка и вычисления. Широко применимыми станут облачные приложения, для которых раньше требовалась установка on-premise. Благодаря скоростной передаче данных пользователи и разработчики смогут совершать операции, требующие высокой аппаратной мощности, имея под рукой только мобильный интернет.
    Здравоохранение
    Качественная связь с удалёнными регионами позволит оказывать высококлассную поддержку в случае экстренных ситуаций. Во время сложных операций или диагностики с использованием видеопотока 5G обеспечит высокую скорость и разрешение. Также с помощью фитнес-трекеров пользователи смогут передавать свои биометрические параметры в непрерывном режиме для хранения и обработки.
    Виртуальная и дополненная реальность (VR/AR)
    Речь не просто о развлечениях, но и о вполне ответственном применении — системы интерактивного обучения, навигационные системы, сложные инженерные процессы и даже тактильный интернет.
    Если заглянуть в более далёкое будущее, то с появлением 5G будут активно развиваться такие «умные» системы, как дом, город, производство. Отдельно стоит отметить тренд на использование голосовых помощников. Кроме того, с распространением 5G искусственный интеллект получит вторую жизнь и станет доступен гораздо большему числу пользователей.

    Игорь Жижикин
    директор «Tele2 Москва»
    Как устроены сети 5G
    Нередко для сетей нового поколения будет использоваться существующая инфраструктура, доставшаяся в наследство от 4G и более ранних поколений. Благодаря более гибкому кодированию и расширенным каналам передачи данных скорость 5G NR будет на 25-50% превосходить показатели LTE.

    Вместе с тем нас ожидает масштабное внедрение как физической инфраструктуры, так и программных решений, которые позволят выжать максимум из 5G.
    Small cells
    Для развёртывания standalone сетей будут установлены новые типы станций и передающих устройств. Так как речь идёт о более коротких волнах, которые менее устойчивы к помехам и препятствиям, порождаемым окружающей средой, радиус покрытия каждой базовой станции будет снижаться. В связи с этим потребуется более плотная инфраструктура, состоящая из так называемых Small cells — малых сот.

    Как правило, для мобильной связи используются станции мощностью 20-40 Ватт. Их заменят более экономичные станции с низким энергопотреблением, мощность которых колеблется от 2 до 10 Ватт — именно они обеспечат массовое покрытие в высокочастотном диапазоне и гигабитные скорости.

    Small cells лучше вписываются в городскую среду, могут быть установлены на мачтах освещения, стенах зданий, остановках общественного транспорта, быть выполнены в виде простого объекта — рекламного лайтбокса или урны.

    Сами по себе антенны миллиметрового диапазона выдают быстро затухающий сигнал, имеющий ограниченную направленность — всего 4 градуса. Но, отражаясь от аналогичных антенн на протяжении своего пути, сигнал может сохранять силу и менять направление, достигая пользователя.

    Для обеспечения стабильной работы малых сот в зданиях, где конструкции не позволяют сигналу свободно распространяться, применима технология Distributed Antenna System. Базовая станция займёт своё место в техническом блоке, и, будучи соединённой посредством проводной связи с антеннами, сможет передавать сигнал в каждое помещение.
    Beamforming/Massive MIMO
    В радиосвязи существует понятие Beamforming — формирование луча. Это процесс направления и концентрации сигнала с определёнными параметрами в определённом направлении. В рамках 5G одним из практических решений для этого станет технология Massive MIMO (Multiple-In Multiple-Out). Она поможет избежать избыточной повсеместной установки микросот.

    Под Massive MIMO понимаются станции, состоящие из большого массива антенн, которые смогут более адресно направлять сигнал и обслуживать одновременно нескольких пользователей, избегая помех и потери качества сигнала.
    Сегодня очевидно, что внедрение 5G — эволюционный процесс. Как минимум до 2022 года мы видим экономически оправданным запуск фрагментов 5G на базе сети LTE с использованием неавтономной архитектуры — Non-Standalone — от LTE-A к LTE-Evo и далее к 5G NR. Это произойдёт за счёт внедрения отдельных технологий 5G, таких как Massive MIMO, Cloud Air, Short TTI.
    Алексей Меркутов, Руководитель отдела по работе со СМИ ПАО «МТС», Пресс-секретарь Группы МТС
    Виртуализация
    Одним из ключевых прорывов сетей нового поколения можно назвать виртуализацию. Благодаря таким концепциям, как SDN (Software Defined Networks / Программно-конфигурируемая сеть) и NFV (Network Function Virtualization / Виртуализация сетевых функций), целые классы функций будут реализованы не на физическом оборудовании, а на программном уровне.

    Не менее важную роль играет облачная архитектура — C-RAN (Cloud/Centralized RAN). Облачные платформы возьмут на себя функции, которые ранее выполняло оборудование базовых станций, что сильно оптимизирует инфраструктуру и отразится на затратах операторов.

    Облачная платформа требует меньших расходов энергии на поддержание работоспособности и охлаждение, нежели базовые станции. C-RAN знает местонахождение всех пользователей и может оптимально распределять ограниченные сетевые ресурсы между ними.

    Японский оператор NTT DOCOMO благодаря использованию облачной инфраструктуры планирует сократить энергопотребление станций более чем на 75%.
    Риски внедрения технологии
    Как и любая новая технология, 5G несёт в себе риски. Оправданы они или нет, сказать трудно — в большинстве случаев мы имеем дело со стадией исследований.

    Основными угрозами можно считать:
    1
    Кибератаки
    Интернет вещей подвержен атакам точно так же, как любые электронные устройства. Пользователи должны будут позаботиться об обеспечении безопасности своих девайсов, а компании и государственные органы — предпринять серьёзные усилия для обеспечения защиты умных городов и IIoT.
    2
    Пересечение частот
    Несмотря на планируемый рефарминг, многие спектры частот всё ещё эксплуатируются специальными службами и учреждениями, среди которых научные лаборатории, космические и военные ведомства. Выделение диапазонов для коммерческого использования потребует тщательного всестороннего согласования.
    3
    Ущерб здоровью
    В июле 2019 года ряд российских ведомств заявили, что намерены проанализировать влияние сетей 5G на здоровье населения. Минздрав, Минкомсвязь, Роспотребнадзор, Федеральное медико-биологическое агентство (ФМБА) и департамент информационных технологий Москвы (ДИТ) проведут исследования и сформулируют актуальные нормативы.
    Ситуация на рынке
    • Согласно Gartner, в 2020 году выручка, приносимая беспроводными сетями 5G, вырастет на 89% по сравнению с 2019 и составит $4,2 миллиарда.
    • В России капиталовложения операторов в развитие сетей 5G за период 2020-2027 гг. оцениваются в 550-610 миллиардов рублей, а при совместном использовании базовых станций — в 400-445 миллиардов.
    • Операторы сотовой связи по всему миру объявляют о тестовых запусках сетей 5G. Среди устройств, на которых тесты прошли успешно: LG V50, OnePlus 7 Pro 5G, Samsung Galaxy S10 5G, Moto Z2 Force/Z3/Z4.
    • В России «ВымпелКом» отчитался о готовности радиочасти сети в Москве на 95%. Tele2 ведёт установку 50 тысяч базовых станций 5G-ready. Тем не менее, пока существует неопределённость с частотным диапазоном, трудно говорить о чётких планах развития сети и рекомендациях пользователям.
    Касаемо российских реалий мнения представителей мобильных операторов совпадают. Неопределённость в вопросе частот не позволяет давать чётких рекомендаций потребителям.
    Говорить о покупке смартфонов в России ещё рано. Безусловно, многие производители уже презентовали или планируют запуск смартфонов с поддержкой стандарта 5G. Но на данном этапе можно оценить их преимущества в онлайн-режиме, на зарубежных сайтах.
    Игорь Жижикин, директор «Tele2 Москва»
    На текущий момент сложно что-то порекомендовать, так как операторы до сих пор не знают, какие частоты будут выделены для 5G в России. Именно от этого будет зависеть, какие смартфоны смогут работать в нашей стране. Например, порядка 80% операторов, запустивших 5G в мире, работают в диапазоне 3,4-3,8 ГГц. Соответственно, основной парк мобильных устройств для потребителей и бизнес-сегмента поддерживает именно его.
    Александр Балюк, руководитель департамента по внедрению новых технологий ПАО «ВымпелКом»
    Рассчитываем, что в следующем году в России в продаже появятся коммерческие 5G-смартфоны, VR-очки и шлемы, роутеры для фиксированного беспроводного доступа. Пользователям будут доступны лучшие по сравнению с 4G-флагманами характеристики — большая скорость передачи данных, меньшая задержка. Однако на первых порах было бы наивно ожидать революционного скачка в повседневных сценариях использования.
    Алексей Меркутов, Руководитель отдела по работе со СМИ ПАО «МТС», Пресс-секретарь Группы МТС
    © Rusbase, 2019
    Автор: Денис Гордовский

    Фото на обложке: Fortgens Photography, Shutterstock
    Татьяна Петрущенкова