Технологии и ключевые показатели стандарта 5G

12.05.2020

Консорциум 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) занимается стандартизацией сетей сотовой связи. В 2015 году организация начала продвижение спецификации 5G-NR (New Radio). Это технология радиодоступа для сетей подвижной связи 5-го поколения. Связи предъявлялись специфичные требования с достаточно широким заделом на будущее развитие коммуникаций, сопутствующих информационным технологиям.

Если все пойдет, как и задумывалось при внедрении, то уже к 2024 году до 30% мобильного трафика будут использовать устройства с поддержкой 5G, а доля телефонии по миру составит 15%. При этом будет значительно пересмотрена экономика сотовых сетей: прогнозы обещают увеличение скорости в 40 раз при многократном уменьшении стоимости доставки. Сегодня рынок пользовательского оборудования (User Equipment, или UE) начинает анализировать спрос и вести разработки устройств с применением технологии 5G.

На данный момент из-за проблемы, возникшей в мире в связи с пандемией, наблюдается некоторый спад во внедрении 5G, но, надеемся, это временное явление и все встанет на свои места. Увеличение спроса на быструю связь, скоростной обмен информацией и замену некоторых сегментов экономики на полностью дистанционную форму в связи с ограничением личного общения может привести, наоборот, к более быстрому внедрению, чем планировалось.

mMTC

Не знаю кому как, но мне сценарий mMTC для машинного взаимодействия уже не кажется чем-то из области фантастики. Хотя десяток лет назад об этом можно было только мечтать. Тут система строится на минимальном вмешательстве человека. Автоматизация всех процессов завораживает возможностями. К устройствам mMTC относятся различные счетчики и датчики. Газ, вода, электричество — все может быть учтено и управляется удаленно. Это относится не только к датчикам контроля. Сегмент СКУД полностью может взаимодействовать с любыми устройствами и работать в любой связке. Это открывает огромные возможности машинной интеграции любого уровня IoT-устройств. mMTC машинного взаимодействия не требует огромных скоростей и сверхнизких задержек, тут больше важны автономность и множественные подключения в сети. Сегодня уже достаточно много встраиваемых модулей 5G, и с развитием сетей модельный ряд будет только увеличиваться.

Заявленная автономная работа как модулей, так и микросхем, используемая в самостоятельных устройствах, стремится к рекомендуемым показателям. Особенно это актуально для систем, использующих технологию LPWA (Low Power Wide Area). Тут стоит задача обеспечить как можно более длительную работу устройства, и достигается это сверхнизким потреблением питания в автономном режиме. Но в то же время конечный продукт должен быть дешевым и массовым. mMTC и NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) – это технологии телеметрии.

URLLC и eMBB

Широкополосная и высокоскоростная связь, несомненно, нужна. Существующие сети LTE, казалось бы, удовлетворяют по скорости потребителя и ее для повседневных нужд вполне хватает.

Существующие направления мы все знаем: онлайн-игры, просмотр и выгрузка видео, удаленная телеметрия, контроль объектов, датчики и прочее. До 100 Мбит/сек и задержками выше 10 мсек довольствуются все вышеперечисленные приложения. И заметного неудобства мы не отмечаем. Но с внедрением 5G открываются совершенно новые перспективы в этих направлениях, за исключением, пожалуй, телеметрии, так как ей не нужны большие скорости.

Сложности перехода от LTE к 5G

4G-сети технически не способны к модернизации до нового протокола. Это создает трудности для быстрого и повсеместного внедрения. Для полноценного функционирования Network Slicing и URLLC сетей 5-го поколения потребуется полностью перестроенная инфраструктура. Хотя изначально и предполагается проводить внедрение надстройками к существующим сетям LTE. Становится ясным, что для полноценного функционирования этого недостаточно. Такая организация построения называется Non-Standalone, но существующее ядро 4G технически не способно выдерживать требования URLLC. Задержки в такой реализации будут намного больше допустимых с требованиями 3GPP. Но хоть показатели и далеки от идеальных, при временной интеграции двух стандартов можно получить прирост пропускной способности и количества абонентов, подключаемых на одну базовую станцию.

Поэтапный переход от LTE к 5G можно представить по рисункам ниже.

Начальная модель направлена на улучшение качества мобильного широкополосного интернета для повышения надежности и объема передаваемых данных путем использования подключения в режиме EN-DC (E-UTRAN New Radio — Dual Connectivity).

Далее будут внедрятся комбинированные станции LTE+5G-NR. Такое разделение называется динамическим: тут нижний диапазон частот E-UTRAN (<2 ГГц) делится динамически с 5G-NR.

Ну и финальный вид сети с широкополосным доступом будет выглядеть так:

Видеостриминг

С развитием высокоскоростных сетей просто неизбежно развитие потокового вещания. Высококачественное 8K видео, естественно, требует и наличия соответствующих каналов передачи данных, хотя оно и не особенно требовательно к задержкам. Устройств с поддержкой 4К достаточно много в продаже: это и телевизоры, и смарт-боксы. Они хорошо работают и в сетях 4G. А вот высокое качество доступно, пожалуй, только обладателям оптоволоконного канала. Рекламные агентства и киноиндустрия сейчас в своей работе уделяют много внимания детализации картинки. С приходом 5G мобильность повысится в разы. Прямой видеопоток с места съемки в студию для дальнейшей обработки — вот один из примеров.

Видеонаблюдение как инструмент интеллектуального распознавания также требует передачи изображения высокого качества. Ведь чем четче картинка или видеоряд, тем лучше работают механизмы детального сравнения. Тут на первом месте стоит выгрузка видеопотока в сеть на сервера с установленным программным обеспечением интеллектуальной обработки. С внедрением 5G системы распознавания лиц станут только мобильнее и, соответственно, проще в развертывании.

Sky Office

Сама концепция облачных вычислений не нова, но с приходом 5G удаленные вычисления станут доступней. По сути, это перенос вашего компьютера в облако. Проще говоря, пользователю останется только экран с клавиатурой для ввода информации, а все остальное будет обрабатываться в облаке. Высокоскоростной интернет позволит передавать картинку в реальном времени с отражением всех изменений на удаленной машине. То есть сейчас большинство подобных вещей использует мощность непосредственно своего компьютера или ноутбука, обмениваясь только пакетами данных с удаленным хранилищем. А Sky Office должен работать на виртуальной машине, а на компьютере пользователя отражаться только готовый результат с потреблением минимальных ресурсов системы. Вся система похожа на программы удаленного администрирования: например, можно провести аналогию с удаленным рабочим столом в Windows. То есть мы видим только видео того, что происходит на удалении. Прототипом такого устройства является Chromebook.

Сейчас начало такого перехода хорошо просматривается на использовании различных CRM. Битрикс24 — яркий представитель облачных начинаний в контроле делопроизводства коммерческих предприятий на удаленных машинах.

Тактильный интернет, виртуальная реальность, дополненная реальность

Искусственный интеллект приходит на помощь уже сейчас во многих областях; виртуальная реальность у большинства почему-то ассоциируется с играми. Это не утверждение, что так у всех, но попробуйте набрать словосочетание «виртуальная реальность» в любой поисковой системе. Результат – игры.

Однако виртуальная реальность, сопряженная с тактильным интернетом, открывает огромные возможности по удаленной работе, работе именно руками, ощущая все прикосновения, нажатия. То есть с быстрым интернетом легко реализуется обратная связь.

У технологии огромные перспективы, и дело тут даже не в видах новых коммуникаций: само создание сетей такой мощности приведет к новым разработкам и, скорее всего, к технологическим прорывам, которые будут использовать оконечные пользовательские устройства.

Автор: Профатилов Антон Юрьевич