Rambler's Top100
Статьи ИКС № 07-08 2016
Александр ГОЛЫШКО  Виталий ШУБ   06 сентября 2016

5-е поколение надежд и сомнений

Чего мы ждем от 5G? Неограниченного доступа к информации – в любой момент, из любого места и с помощью технологии, наиболее подходящей для запрашиваемой услуги и нашего местонахождения.

Всё, чем стоит сейчас заниматься, – космос, биотехнологии и телеком.

                                         Всё остальное в конечном счете – углеводороды.

                                                         Гуру российского телекома, июнь 2016 г.

 

 Александр ГОЛЫШКО, системный аналитик, ГК «Техносерв»
 Виталий ШУБ, советник президента, «Компания ТрансТелеКом»

Феномен 5G – наглядная демонстрация маниакального стремления человечества максимально расширить границы телекоммуникаций.

Быстрее, выше, короче

Разработка целого семейства технологий для сетей 5G, известных как IMT-2020, своей целью имеет освоение еще неосвоенных диапазонов радиочастот, простирающихся почти до 100 ГГц, и обеспечение еще больших скоростей передачи данных и еще меньших задержек во имя подключения к мобильной связи всего сущего. Причем во веки веков. Целевые показатели 5G ожидаются такие: скорости до 10 Гбит/с на соту/сектор, задержки менее 1 мс.

Не так давно исследователи из 5G Innovation Centre (5GIC) университета Суррея (Великобритания) создали экспериментальный набор оборудования 5G, которое позволило передать данные на 100 м со скоростью чуть более 1 Тбит/с, т.е. в тысячи раз быстрее, чем в современных сетях стандарта LTE-A. Предполагается, что сеть пятого поколения будет поддерживать обмен информацией на скоростях, в сотни раз превышающих возможности сетей 4G. В отдельных случаях скорости 5G внутри зданий будут превышать 10 Гбит/с; на городских улицах – 100 Мбит/с; в сельской местности – не менее 10 Мбит/с. Концепция 5G предусматривает, что начиная с 2020 г. соответствующие мобильные сети должны быть способны реализовать давнюю мечту связистов – предоставить неограниченный доступ к информации откуда угодно и когда угодно.

5G как когнитивное радио

Если даже надежное покрытие будет создано, то останется серьезная задача обеспечения высокой нагрузочной способности. Ведь в качестве информации может выступать «сверхтяжелый» трафик типа IPTV 4К/8K, HDR, HFR или WCG (битрейты на канал от 50 до 200 Мбит/с), а в качестве абонентских устройств – чуть ли не все сущее из интернета всего (IoE) или хотя бы из интернета вещей (IoT). Причем еще совсем недавно ни то, ни другое не существовало в принципе и в мобильном сетестроительстве не учитывалось.

Нынешние сотовые сети имеют ограниченное покрытие, относительно дорогие терминальные устройства, энергетика которых (в силу «батарейности» их питания) оставляет желать лучшего. Да и предназначены эти сети для голоса, сообщений, высокоскоростных данных и видео. Но они никак не оптимизированы под эпизодическую передачу относительно небольших объемов данных. Непригодны сети LTE и для поддержки постоянного подключения абонентских терминалов. К тому же чем дальше от базовой станции, тем большую мощность должен излучать терминал. А если этот терминал установлен где-нибудь в лесу или под землей, то кто будет заряжать его аккумулятор многие и многие лета? Вот если бы эта батарейка работала годы напролет… Низкое энергопотребление вообще является наиважнейшим условием для 80% случаев использования IoT в умных счетчиках, носимой электронике или смарт-парковках. Простота установки и небольшой размер горя в случае кражи – тоже весьма важные факторы для массовой технологии. В целом сети на базе технологии NB-IoT имеют много серьезных преимуществ, среди которых поддержка около 50 тыс. соединений на ячейку сотовой сети, гарантированные 10 лет срока службы аккумулятора, большая зона обслуживания, повышенная безопасность за счет двусторонней аутентификации и дополнительного шифрования интерфейса, а также создание стабильных условий, в которых оператор связи сможет внедрять приложения интернета вещей.

П р е д т е ч и   5 G 

Первую в мире передачу данных по радиоканалу осуществил 7 мая 1895 г. А.С. Попов. И вот уже 120 лет радиоинженеры одержимы дальностью, качеством, надежностью, охватом и прочими удобствами мобильной связи. В 1921 г. департамент полиции Детройта установил на патрульных авто систему односторонней голосовой радиосвязи, работающую на частоте 2 МГц, а уже в 30-е годы американские полицейские могли переговариваться между собой. Применявшаяся в то время амплитудная модуляция имела известные проблемы с качеством связи, но в 1935 г. благодаря внедрению частотной модуляции качество речи, энергопотребление и массогабаритные характеристики оборудования были кардинально улучшены. Таким образом была организована мобильная связь для ограниченной группы пользователей на ограниченной территории с приемлемым качеством и с использованием оборудования, размещаемого в автомобиле.

В 1947 г. один из сотрудников Bell Labs доложил о разработке концепции сотовой связи. Однако первую в мире базовую станцию сотовой связи, способную одновременно обслуживать 30 абонентов, коммутируя вызовы с наземными линиями, смонтировала на 50-этажном здании Alliance Capital Building в Нью-Йорке компания Motorola. Во многих источниках первый в мире сотовый звонок датируется 3 апреля 1973 г., когда вице-президент Motorola Мартин Купер, взяв первый сотовый телефон DynaTAC весом 1,5 кг, вышел на улицу и позвонил руководителю исследовательского отдела Bell Labs. Так родилось поколение 1G.

В 1969 г. в Скандинавии сформировалась первая международная группа стандартизации в области мобильной связи – NMT, разработавшая в 1973 г. принципы роуминга. В 1981 г. в Саудовской Аравии была запущена первая в мире сеть сотовой связи аналогового стандарта NMT-450. В 80-х годах в разных странах сосуществовали сети разных, нестыкуемых друг с другом стандартов.

Прогрессивные принципы, заложенные в стандарте NMT-450, были развиты на новом уровне. Позже для второй гармоники 450 МГц – 900 МГц – был предложен вариант «нордического» стандарта для городов – NMT-900, а в 1991 г. был представлен первый стандарт цифровой сотовой связи 2G на этой гармонике – GSM-900. Буквально через несколько лет в ход пошла еще одна гармоника стандарта NMT-450 – 1800 МГц, и появился стандарт DCS, быстро переименованный в GSM-1800. В 1992 г. был разработан еще один цифровой стандарт – IS-95.

Всего через шесть лет количество абонентов голосовой мобильной связи в мире достигло 200 млн. В 1998 г. появился стандарт GPRS, а потом и EDGE. В 2000 г. в Монако, на острове Мэн и в Швеции были построены первые тестовые сети 3G в диапазоне 2100 МГц, использовавшие технологию WCDMA и поддерживавшие относительно высокую скорость передачи данных. Следующие пять-шесть лет ушли на доводку сетей и мобильных терминалов, чтобы удовлетворять хотя бы самым простым требованиям потребителей мобильного интернета. В результате ООН объявила технологию стандарта GSM «самой успешной технологией за всю историю человечества, охватившей 1 млрд человек за одно десятилетие».

Через некоторое время из пула пяти различных 3G-стандартов IMT-2000 выделились два основных, причем перспективный вариант TDD на долгие годы оказался «задвинутым» в пользу технологически более простого, но ресурсоемкого FDD. Однако не успели сети 3G по-настоящему стать на крыло, как появились сети 4G с технологиями WiMAX (OFDM в каналах «вверх» и «вниз») и LTE (OFDM в канале «вниз»), которые еще лучше отвечали запросам пользователей, быстро распробовавших новые приложения мобильного ШПД. Создание национальных и транснациональных операторов мобильной связи, необходимость глобального роуминга для авиапутешественников и экономия масштаба как на стороне сотовой инфраструктуры, так и на стороне абонентских устройств привели к «вымиранию» нишевых стандартов и созданию LTE – единой глобальной технологической платформы на базе комбинации OFDMA и WCDMA, на этот раз в обоих вариантах – FDD и TDD – для полного переиспользования парных и непарных частотных полос.

Раз уж мобильная индустрия сделала ставку на технологию LTE, все предыдущие стандарты и технологии начали эволюционировать именно в этом направлении, что впервые привело к появлению единого стандарта для всей планеты. Причем этот стандарт, как и его предшественник WCDMA, первоначально был ориентирован исключительно на передачу данных (голос с помощью технологии VoLTE начали «пристраивать» в сети LTE потом). Несмотря на то что технология LTE позволяла улучшить лишь два параметра – скорость передачи данных и задержку, она получила массовый отклик со стороны мобильного сообщества. С учетом фундаментальных физических (спектральная эффективность) и технологических ограничений (логическая, микроэлектронная и ВЧ-элементная базы) основным вектором дальнейшего развития сотовой связи стало повышение скорости передачи за счет использования все более широких (агрегируемых) несущих – вплоть до десятков и сотен мегагерц. Причина этого – ощутимое замедление темпов роста спектральной эффективности существующих и перспективных схем модуляции и кодирования радиосигнала. Прогресс здесь весьма невелик, и на деле отрасль все еще переиспользует резервы мультиплексирования OFDM, впервые реализованного еще в 1990-х годах. Поскольку в нижних частотных диапазонах роскошь выделения непрерывных полос шириной в десятки и сотни мегагерц (кроме частот, занятых дециметровым эфирным телевещанием 470–862 МГц) никто позволить себе уже не может, сотовая отрасль как единое целое начала «выдавливаться» в те частотные полосы, где есть еще незанятый большой непрерывный частотный ресурс – выше 6 ГГц, с первоначальным прицелом, например, на 28, 60 и 70 ГГц. Параллельно исследуются возможности использования комбинаций таких технологий, как Sparse Code Multiple Access, Filtered-OFDM, MU-MIMO, Full Duplex, для многократного увеличения скоростей передачи в существующих частотных окнах.

Ясно проявившийся на ВКР-2015 тренд современной беспроводной связи – разделить весь частотный диапазон на «ниже 6 ГГц» и «выше 6 ГГц» привел к одновременному обсуждению и вполне реальных перспектив улучшения характеристик сотовых сетей в нижнем частотном диапазоне, и химерически-утопических «демонстраторов 5G» в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах. О том, к каким последствиям для всей отрасли телекоммуникаций этот дисбаланс может привести, никто не задумывается.

Другим трендом последних лет в области сотовой связи стало непропорциональное увеличение внимания, уделяемого такой нишевой теме, как интернет вещей (IoT) или даже интернет всего (IoE). Малопубличный, низковаловый, но весьма маржинальный сегмент деятельности сотовых операторов, предоставляющих корпоративным и частным клиентам услуги дистанционного мониторинга и трекинга удаленных и/или мобильных объектов (автомобили, вагоны и т.п.), вдруг «выстрелил», оказавшись в центре внимания почтенной сотовой и телеком-публики. В результате у не подготовленных к этому глобальному ажиотажу наблюдателей может создаться впечатление некоего вселенского взрыва, когда весь окружающий их/нас мир вдруг волшебным образом преобразится во вместилище мировых гармоний, разу­ма и порядка. К сожалению одних или к счастью других, всё не совсем так, а точнее – совсем не так!  

Уже сейчас ясно, что выполнить все «пожелания» в рамках единой сети, построенной по единой технологии, не получится. Поэтому впервые новое поколение стали рассматривать не как единый стандарт, сеть или технологию, а как общую среду беспроводного доступа для всей потенциальной мобильной экосистемы, которая представляет собой комбинацию существующих и перспективных радиотехнологий и сетей для общения людей и устройств, включая как действующие сети GSM, HSPA и LTE, так и новые или модернизированные технологии радиодоступа вроде EC-GSM, eMTC, NB-IoT. Соответственно сценарий МСЭ предусматривает развитие 5G сразу в трех основных направлениях: мобильный ШПД, IoT и сверхнадежные коммуникации. Отсюда очевидно, что фрагментация отрасли сотовой связи продолжится.

Предполагается, что сеть 5G должна сама выбирать технологию для предоставления услуги в зависимости от того, где находится пользователь и какая услуга ему нужна в данный момент. Основное преимущество 5G должно заключаться в способности эффективно адаптироваться под широкий спектр требований, предъявляемых новыми приложениями. В частности, должна поддерживаться безопасная работа приложений с повышенными требованиями к надежности, предназначенных, например, для систем дорожной безопасности, за счет сокращения времени отклика сетевой инфраструктуры до нескольких миллисекунд. Адаптируясь под запросы пользователя, сеть должна оптимизировать соединение и выбрать из нескольких вариантов доступа наиболее подходящий для конкретного приложения, места и момента времени. Собственно, это ни что иное как так называемое когнитивное радио, созданное на стороне сети, а не на стороне абонентского терминала. А заодно и обеспечение качества предоставляемых услуг. Сетевые «мозги», которые будут оперативно решать подобные задачи для каждого пользователя, должны обладать высоким быстродействием и не менее высокой надежностью. Судя по тому, что переключения соединений в действующих сетях с GSM на 3G и 4G отнюдь не всегда способствуют качеству связи, по части «мозгов» сети 5G должны быть сильно «умнее» своих предшественников. Кроме того, они, похоже, серьезно нагрузят сеть сигнализации.

Совместные усилия

Многое из технологий 5G уже создано и тестируется, многое только разрабатывается или еще осмысливается. Даже при наличии той или иной разработки понадобится определенное время для интеграции ее в существующую сетевую инфраструктуру. Сегодня над реализацией идей 5G трудится не менее 20 международных и национальных консорциумов, альянсов, рабочих групп и пр.: IMT-2020 (5G) Promotion Group, Next Generation Mobile Networks Alliance, 5G Infrastructure Public Private Partnership, METIS, 5GIC, 5GVIA, Fantastic-5G и т.д. Говорят, только в Китае существуют 863 исследовательские программы 5G. Не все они имеют одинаковые взгляды на базовый набор технологий. Но даже если они придут к единому мнению, все равно потребуется время для доработки стандартов и модернизации оборудования. К примеру, недавно ЕС и Китай подписали соглашение о ключевом партнерстве по 5G в рамках стремления к единому стандарту. Однако пока это только стремление, да и отнюдь не всемирное.

В свою очередь, абонентское оборудование может иметь широкий спектр функциональных возможностей, и вряд ли все технологии сразу будут помещены в единый корпус. Очевидно, терминальное оборудование будет дифференцировано для различных областей применения. Здесь есть дополнительная проблема – производителей терминалов следует увлечь массовым производством миниатюрного оборудования для сетей 5G. Для этого необходимо, чтобы указанные производители таки разглядели в 5G свои реальные доходы и настроились на выпуск хотя бы миллионов терминалов пятого поколения.

5G как «суперWi-Fi»

В числе принципиальных технологических новшеств помимо задействования высоких диапазонов частот, включая субмиллиметровый и миллиметровый, в 5G предусматривается экономичное использование лицензируемых и нелицензируемых полос радиоспектра (в том числе несколькими операторами совместно), а также комбинированное использование спектра внутри и вне помещений. Последнее связано с тем, что на частотах выше 3-4 ГГц покрытие в зданиях или в автомобилях будет уже, мягко говоря, неважным. Если же взять более высокие диапазоны радиочастот – 28, 60+ и 70+ ГГц, то эффективный радиус соты не превысит 50 м (разумеется, в условиях прямой видимости). Другими словами, потребуется создать эдакий вариант СВЧ-Wi-Fi или радиоаналог не «взлетевшей» технологии Li-Fi, причем желательно с низким и «интеллектуальным» потреблением электроэнергии. Быть может, высокие диапазоны будут применяться скорее для транспорта, чем для абонентского доступа (исключая связь внутри помещений), потому что вожделенная прямая видимость на таких частотах может быть нарушена просто карманом или дамской сумочкой.

Первые ласточки из гнезда «супер-пупер Wi-Fi» уже полетели. Это целая плеяда технологий под ничего не говорящими неспециалисту аббревиатурами LTE-U, LTE-LA, LTE-LAA и усиленно лоббируемая корпорацией Qualcomm технология Multifire. Несмотря на обилие сокращений и акронимов, общий знаменатель у всех этих инициатив один – монетизация бесплатных (пока) диапазонов Wi-Fi – 2,4 и 5 ГГц – путем распространения платного спектра сотовых операторов на эти диапазоны. Эти инициативы четко показывают «мильон терзаний», раздирающих нежные сердца топ-менеджеров сотовых операторов. Когда в 2000‑х годах стало ясно, что широко разрекламированная панацея в виде 3G/WCDMA с целыми 2 Мбит/с (!) на соту/сектор никакой панацеей не является, а беспроводной широкополосный интернет-доступ (особенно бесплатный) абоненту люб и мил, сотовые операторы дружно заголосили о магии Wi-Fi-offload, которая разгрузит их сети от мусорного интернет-трафика. Когда же в бесплатные хот-споты стали утекать экзабайты абонентских голоса, данных и видео, операторы поняли, что ложка проходит мимо их рта, спохватились и пошли в контратаку на бесплатный Wi-Fi. Однако было уже поздно, джинна выпустили из бутылки, и теперь натужно и втихую от широкой публики его пытаются загнать обратно и заставить приносить владельцу прибыль. Приведет ли это в дальнейшем к сжиманию экологической ниши Wi-Fi и бесплатных хот-спотов для доступа в интернет, пока непонятно. Это будет зависеть от позиций регуляторов и международных стандартизирующих организаций. Тем не менее прецедент распространения платного частотного диапазона до 5 ГГц и выше уже создан. И, что важно, в силу большой ширины частотных полос в этих диапазонах может быть обеспечена высокая, гигабитная скорость передачи данных, пусть и в радиусе 50–100 м.

Новации в сети радиодоступа

В концепции 5G принципиален переход к модели сети, где главным является абонент, а не базовая станция. Посему предусматривается новый радиоинтерфейс с малыми сотами, коих в одном секторе может быть невероятное количество, может быть, даже больше, чем абонентов в типовой соте 4G. И они не должны мешать друг другу – ведь их сигналы будут создавать интерференцию. Кроме того, несмотря на все расширения, радиочастотный ресурс все равно не безграничен. Поэтому для малых сот понадобятся новые методы множественного доступа, в которых собираются использовать новые виды дуплексной связи и виды модуляции, протоколы канального уровня, механизмы межсотового взаимодействия и координации, эффективные методы компенсации внутрисистемных помех, многомерные антенные системы, а также трехмерное формирование направленного луча для многопользовательской передачи. В общем, даже в одном секторе базовой станции ожидается такой технологический «зоопарк», управлять которым сможет не всякий искусственный интеллект. Поэтому отдельными направлениями развития 5G будут самоконфигурируемые интеллектуальные и адаптивные сети, базирующиеся на стохастическом и адаптивном использовании сетевых ресурсов, автоматическом обнаружении доступного спектра и других принципах когнитивного радио.

Однако и этого мало – сетям 5G необходима новая архитектура сети радиодоступа, предусматривающая использование смешанных сот с разными уровнями иерархии и управления ресурсами в гетерогенной архитектуре HetNet, централизованных и облачных сетей радиодоступа, программно конфигурируемых радио- и сетевых элементов. Реализация технологии device-to-device, которая позволяет абонентам, находящимся поблизости друг от друга, общаться напрямую, будет разгружать сеть от информационных потоков данных абонентов, но сигнальный трафик все равно останется заботой оператора. Соответственно надо будет что-то делать с невероятно разрастающимся сигнальным трафиком, ибо сетевых ресурсов и так не хватает. Поэтому предусматривается передача пользовательских данных и управляющей информации (служебных команд) в различных физических средах, не говоря уже о совместном использовании сетевой структуры.  

О том, какие камни принесет с собой поток 5G, какие последствия для телеком-рынка будет иметь построение столь мощной беспроводной инфраструктуры, – в очередном номере «ИКС».

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!