Сети 5G: текущее состояние и перспективы развития.

Интервью с автором книги «Мобильная связь на пути к 6G» Антоном Степутиным

Автор публикации: Антон Степутин

Интервьюер: Алексей Николаев

Дата публикации: 6 января 2019 года.

Многие поставщики оборудования и операторы мобильной связи взяли вектор на сети мобильной связи нового поколения. Этому способствует активная работа стандартизирующих органов, которые перешли во вторую (финальную) фазу спецификации сетей 5G. Операторы провели многочисленные тестирования инновационных решений по всему миру. В настоящее время появляются первые коммерческие «ласточки» 5G. Что это даст абонентам? Чем сети 5G отличаются от предыдущих поколений? Есть ли препятствия на пути эволюции мобильной связи? Об этом и многом другом поговорим со Степутиным Антоном Николаевичем – членом Лиги технических тренеров, двукратным победителем конкурса «Тренер года» в номинации «Технический тренер», основателем и руководителем портала 1234G.ru, председателем Оргкомитета ежегодного Международного Съезда TELECOMTREND, кандидатом технических наук, доцентом СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, автором книги «Мобильная связь на пути к 6G».

Начнем, наверно, с самого главного: какие преимущества дадут людям сети 5G?

Основные услуги, для которых требуется создание сетей нового поколения мобильной связи, следующие:

• сверхширокополосная мобильная связь (enhanced Mobile Broadband, eMBB),
• сверхнадежная межмашинная связь с низкими задержками (Ultra-Reliable Low Latency Communication, URLLC),
• массовая межмашинная связь (Massive Machine-Type Communications, mMTC).

Если оперировать конкретными числами, то они следующие:

- низкая задержка для обеспечения передачи критически важной информации от датчиков класса critical IoT: до 0,5 мс (для сервисов сверхнадежной межмашинной связи - URLLC) и до 4 мс (для сервисов сверхширокополосной мобильной связи - eMBB);

- massive IoT (массовое подключение устройств Интернета вещей). Общее число подключенных или доступных абонентских терминалов на единицу площади (≥1 млн./км²);

- высокие скорости: до 20 Гбит/с по линии «вниз» (т.е. к абоненту) и до 10 Гбит/с по линии «вверх» (в обратном направлении);

- поддержка мобильности абонента, передвигающегося со скоростью до 500 км/ч.

Есть ли потребность уже сейчас в таких скоростях?

Давайте посмотрим на сервисы, которые входят в нашу жизнь и становятся все более востребованными:

• видео 360 градусов;
• виртуальная и дополненная реальность;
• видео с разрешением 4К и 8К;
• тактильный интернет;
• умные и безопасные города и предприятия;
• 5G будет востребован на транспорте, который все более оснащается телеметрическими системами, а в будущем должен становиться беспилотным;
• также 5G будет способствовать появлению новых сервисов, например голографических звонков.

Помимо этого, драйверами роста потребления мобильного трафика являются:

• популяризация облачных технологий – модели online хранилищ данных абонента на многочисленных распределенных в сети Интернет серверах;
• online игры и их обновление;
• увеличение количества устройств;
• рост объема потребления видеоуслуг и увеличение разрешения видеоизображения, о которых было сказано ранее.

Главное – абоненту предоставить канал. Как показывает практика, какая бы ширина канала не была, он его займет. Но в первую очередь 5G будет востребован для B2B сегмента.

За счет чего будут достигнуты такие пиковые скорости в 5G: 10-20 Гбит/с?

1. Massive MIMO, а также адаптивные методы формирования и отслеживания луча (beamforming).

Данные решения необходимы для обеспечения надежной и устойчивой мобильной широкополосной связи в более высокочастотных диапазонах. К классу Massive MIMO относится система с числом управляемых антенн > 8. При этом каждая «управляемая антенна» может представлять собой группу излучающих элементов.

2. New Radio (NR).

В отличие от радиоинтерфейса LTE, где поднесущие LTE практически всегда разделены интервалом 15 кГц, в 5G NR расстояние между поднесущими частотами может меняться. Так 5G NR поднесущие могут быть расположены с интервалом 15 кГц x 2n. Максимальное расстояние между поднесущими в 5G NR равно 240 кГц. Это позволит гибко настраивать поведение сети при предоставлении различных типов услуг, которые имеют различные требования к задержкам. Помимо этого, в Release 16 планируется рассмотреть альтернативные варианты радиоинтерфейса для сетей 5G, что позволит повысить эффективность использования драгоценного частотного спектра.

3. Более широкий частотный спектр, который будет выделен в высокочастотных диапазонах.

Вы правильно заметили, что это максимальные значения скорости, которые являются целевыми для стандарта 5G. На итоговую пользовательскую скорость, которую будет получать абонент, оказывает влияние множество факторов:

• количество абонентов в секторе базовой станции;
• категория используемого абонентом оборудования;
• удаленность от обслуживающей базовой станции;
• рельеф местности и/или стены и даже окна зданий;
• и другое.

Какие инновационные технологии, помимо описанных выше, появятся в 5G?

1. Network slicing («сетевая нарезка»)

Это означает, что инфраструктура сети 5G может быть логически нарезана на «сетевые слои» — «слайсы» для разных бизнес приложений и для разных технологий радиодоступа. 

Эти сети могут быть раздельно оптимизированы под различные требования скоростей передачи данных. Так для просмотра видео 4K будет важна скорость, но задержки ввиду инерционности восприятия зрительного аппарата не будут критичными. Для передачи данных, критичных к задержкам, будет использован специальный слайс, который называется ultra-reliable low latency communication. К таким типам данных следует отнести: тактильный интернет, онлайн-игры и др.

2. D2D (Device-to-Device)

Это непосредственное взаимодействие «устройство-устройство» без участия базовой станции. 

D2D, в частности, необходимо для взаимодействия беспилотного автомобиля с дорожной инфраструктурой и другими автомобилями. Помимо этого, технология D2D будет использоваться в рамках концепции public safety (публичной безопасности) при непосредственном взаимодействии двух абонентских терминалов специального назначения при развертывании в условиях чрезвычайной ситуации.

Дополнят вышеуказанные технологии следующие решения:

3. Виртуализация сетевых функций (Network Functions Virtualization, NFV)

Предполагает использование технологий виртуализации для отделения функций логических сетевых элементов от аппаратной инфраструктуры сети связи. При использовании NFV в телекоммуникационных сетях происходит выполнение сетевых функций с использованием специализированных программных моделей, которые выполняются на серверах или виртуальных машинах в телекоммуникационных сетях.

4. «Fog computing» (туманные вычисления).

Развертывание микроЦОДов максимально близко к месту генерации трафика (Mobile Edge Computing), в частности, непосредственно на базовых станциях.

Как продвигается спецификация сетей 5-го поколения?

В декабре 2017 г. 3GPP согласовало первую версию стандарта 5G Release 15 – для варианта применения non-standalone (т.е. вместе с сетью LTE). Специфицировано несколько сценариев такого взаимодействия.

В июне 2018 г. 3GPP выпустил вторую версию Release 15, уже для самостоятельного применения (standalone mode). 

Автономной (Standalone) архитектурой сетей 5G является архитектура, в рамках которой реализовано непосредственное подключение базовых станций к ядру сети нового поколения (NGC) посредством интерфейсов плоскости управления (NG-C) и плоскости пользователя (NG-U).

А в июле 2019 г. 3GPP обещает выпустить Release 16, который будет включать в себя все аспекты 5G: не только услуги улучшенного мобильного ШПД (eMBB), но также высоконадежные коммуникации с низкой задержкой (URLLC) и массовые межмашинные коммуникации (mMTC).

Что мешает развитию сетей 5G?

Назову три основных фактора, мешающих более стремительному развитию сетей пятого поколения:

• неопределенность с частотными диапазонами и, соответственно, отсутствие сетевой инфраструктуры и абонентского оборудования;
• отсутствие нормативно-правовой базы, регулирующей работу сетей 5G;
• запуск и наиболее эффективная коммерциализация 5G должны отталкиваться от наиболее актуальных для абонентов и бизнеса вариантов использования новых сетей (use cases). Чем раньше они будут обозначены и определены в качестве технологической стратегии, тем быстрее будут развиваться сети 5G.

Следует ли ожидать создания российского телекоммуникационного оборудования для сетей 5G?

Для начала необходимо определиться, что является отечественной промышленностью и отечественным телекоммуникационным оборудованием, в частности? Необходимы нормативные акты, в которых будут четко прописаны критерии отнесения производимой продукции к отечественной. Иначе туда попадут все мировые производители с тем или иным уровнем локализации у нас в стране.

Тем не менее, исконно российские телекоммуникационные компании есть, и они закрывают часть потребностей операторов по определенным направлениям. В частности, оборудование и программное обеспечение (ПО) транспортной сети, центры обработки данных (серверы, системы хранения данных), ПО виртуализации (NFV/SDN) и др.

Запуск и развитие сети 5G – недешевое удовольствие, в частности, в связи с использованием более высоких частотных диапазонов…

Да, базовых станций потребуется много.

Возможны различные подходы по сокращению стоимости развертывания сетей 5G.

1. Построить часть инфраструктуры за счет инфраструктурного оператора. В частности, нет смысла прокладывать кабель в метро всем операторам. Обратная сторона запуска всей инфраструктуры на базе единого инфраструктурного оператора – это отсутствие конкуренции по радиопокрытию сети. Все операторы будут обеспечивать одинаковый уровень сигнала 5G на всей территории присутствия инфраструктурного оператора. В рамках такого решения операторы мобильной связи смогут конкурировать друг с другом только предоставляемыми услугами. Также возникнут проблемы с точки зрения агрегации уже имеющегося у операторов частотного спектра со спектром, который они получат для развития сетей 5G. Поэтому, по моему мнению, инфраструктурный оператор уместен для развертывания около 40-50% сетевой инфраструктуры и в основном в низкочастотных диапазонах, где нет возможности выделить всем операторам необходимые для 5G полосы частот. Более того, данный вопрос следует решать сразу же на нескольких уровнях: профильные ведомства и организации, акционеры сотовых операторов совместно с профильными техническими специалистами исходя из технологической стратегии развития, которую определит для себя оператор.
2. Предусматривать специальные места для размещения оборудования связи при строительстве новых зданий.
3. Выстроить равноправный доступ всех операторов к внутридомовой инфраструктуре.

Где в первую очередь будут запущены сети 5G: в городах, пригородах, сельской местности или на критически важных объектах (газопроводы, нефтепроводы и т.п.)?

Однозначно в первую очередь сети 5G будут запущены в крупных городах. Это даст value (прибыль) и имидж для компаний-операторов мобильной связи. Тем не менее, очень нежелательно углублять и без того значительный цифровой разрыв между сельской и городской местностью. Доступ к информации дает возможность развития людей.

Что касается конкретных цифр и сроков, то согласно утвержденной правительством госпрограмме «Цифровая экономика Российской Федерации», в 2020 г. сети 5G должны заработать в 8 городах России, а к 2025 году во всех городах с населением от 1 млн человек.

Таким образом, с приходом сетей пятого поколения потребление трафика, по оценке ряда аналитических компаний, до 2025 г. увеличится в 20 раз.

К 2023 г., согласно прогнозу компании Ericsson, в сетях 5G будет зарегистрирован 1 млрд подключений. А услуги на базе 5G к этому времени станут доступны для 20% мирового населения.

Одно из самых ценных, что есть у оператора – это частотный ресурс. Какой он должен быть для запуска сетей 5G? Есть ли для сетей 5G волшебный источник новых частот?

В 2019 году состоится очередная всемирная конференция радиосвязи (ВКР-19), которая проходит один раз в четыре года.Наиболее вероятными для согласования являются полосы радиочастот: 24,25-27,5 ГГц, 37-43,5 ГГц.  

Диапазоны 70/80 ГГц также могут быть согласованы на ВКР-19.

Согласование полосы 31,8-33,4 ГГц для 5G на ВКР-19 практически не имеет шансов, поскольку обеспечение совместимости с действующими службами проблематично.

Что касается более низких частот, то для 5G также нет окончательно решения по диапазонам частот и ширины полосы. Так, в России большую часть диапазона 3,4-3,8 ГГц занимают военные.

Союз LTE предложил использовать для 5G не стандартный для Европейского региона диапазон частот 4,4-4,99 ГГц. Это позволит увеличить частотный спектр для развертывания сетей мобильной связи нового поколения. Тем не менее, коммерческое оборудование для этого частотного диапазона отсутствует.

Ожидается, что по итогам ВКР-19 государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) будет принято решение по частотам с учетом концепции развития 5G, которую готовит Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций в рамках национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации». Ожидается, что в верхних частотных диапазонах распределение частот между всеми заинтересованными операторами будет реализовано на основании торгов.

Операторы с внедрением еще и сетей 5G будут вынуждены справляться с управлением целого "зоопарка" технологий: 2G, 3G, 4G, 5G. Может быть имеет смысл отказаться от устаревших и неперспективных технологий? И какая из технологий первая на выбывание: 2G или 3G?

Первым кандидатом на выбывание вижу 3G. Технология 2G в диапазоне 900 МГц будет жить долго в связи с тем, что имеет фрагментированный спектр и там работают и будут какое-то время продолжать работать абоненты: старые терминалы и M2M-датчики.

В настоящее время все чаще затрагивается вопрос о перспективах технологии Wi-Fi в преддверии запуска сетей мобильной связи 5G. Не наступит ли закат эры технологии Wi-Fi, когда сети 5G будут обеспечивать людей высокоскоростным интернетом с низкими задержками?

Уже сейчас в большинстве случаев сети LTE обеспечивают высокие скоростные показатели. Некоторые люди уже перестают использовать Wi-Fi дома. Но это далеко не все люди. 

Для того, чтобы Wi-Fi «умер», уступив дорогу исключительно мобильным сетям, нужно, чтобы произошло несколько событий:

• сети мобильной связи везде должны обеспечивать одинаковое качество обслуживания абонентов;
• операторы мобильной связи должны предоставить тарифы, которые позволят абонентам выкачивать необходимый объем трафика, аналогичный объемам, выкачиваемым через сети Wi-Fi.

Таким образом, у каждой технологии своя ниша. Одна (Wi-Fi) – обеспечивает локальное покрытие, гарантируя определенные скоростные показатели абоненту. Другая – обеспечивает глобальное покрытие в почти любой точке карты мира, где бы мы не находились.

Более того, технологии могут взаимно дополнять друг друга. В частности, 3GPP специфицировал такие решения, как Wi-Fi Offloading, LWA (LTE-WLAN aggregation), LAA (Licensed Assisted Access) и eLAA (Enhanced Licensed Assisted Access). Данные технологические решения позволяют задействовать либо точки доступа Wi-Fi для разгрузки радиоинтерфейса операторов мобильной связи, либо используют нелицензионный частотный диапазон Wi-Fi для сетей LTE.

Ряд поставщиков оборудования также анонсировали такое решение, как MuLTEfire, которое позволяет развертывать сети LTE исключительно в нелицензионном частотном диапазоне.

Читайте также:

Термины и определения мобильной связи (англоязычные). Расшифровка основных понятий

Логотип 5G и сроки спецификации сетей нового поколения

5G в мире

5G в России

{jcomments on}