5G — пятое поколение мобильной связи

Первые пилотные 5G сети в России запустили в 2019 году в Москве операторы МТС и ТЕЛЕ2, предлагая потребителям более высокую скорость передачи данных и меньшую задержку, по нашим данным скорость 5G интернета достигала 4.5 Гбит/с. В дальнейшем 5G откроет новые возможности для промышленных приложений и IOT устройств, и станет основополагающим элементом для создания "умных городов". 5G - это следующий шаг к созданию более совершенных сетей в нашем технологичном мире.

Что такое 5G интернет и основные характеристики технологии

Наиболее распространенной технологией 5G является mmWave, но несущие также будут использовать новый спектр в области Wi-Fi ниже 6 ГГц, в полосах ниже 1 ГГц и в существующих диапазонах 4G LTE.

Общая идея заключается в том, чтобы значительно увеличить количество доступного спектра путем объединения плюсов и минусов разных частот. Объединение большего спектра с агрегацией несущих (отправка данных по нескольким частям спектра) позволяет увеличить пропускную способность и значительно повысить скорость для абонентов.

Высокочастотные базовые станции миллиметровых волн mmWave

Для того чтобы достичь более высоких скоростей, нам нужно расширить спектр. Миллиметровые волны, которые находятся в частотном спектре 30–300 ГГц, предоставляют нам необходимое пространство для расширения спектра. mmWave позволяют передавать данные на высокой скорости, но из-за большого затухания радиус действия сужается. И втрое ограничение высокой частоты - эти волны не могут проникать сквозь преграды – деревья, стены зданий. Поэтому приходится менять архитектуру сети: высокие мощные базовые станции, покрывающие большие расстояния будут работать совместно с компактными маломощными ячейками.

Спектр 5G

Полный спектр показан на рисунке выше, желтым цветом изображены существующие полосы, которые уже могут использоваться 5G NR для мобильных широкополосных и IoT-приложений. Затем показана полоса зеленого цвета, которая одобрена на всемирной конференции радиосвязи ВКР-19, и полоса красного цвета с большей шириной полосы. Красная полоса регулируется соглашением федеральная комиссии по связи.

5G NR может использовать спектр от 6 ГГц до 100 ГГц. По сравнению с LTE-A пропускная способность системы 5G увеличивается в 10 раз (с 100 МГц в LTE-A до 1 ГГц +). Полосы для NR в основном классифицируются как Low Band, Mid Band и High Band, и эти полосы могут использоваться в зависимости от приложения, как указано ниже:

• Низкий диапазон - ниже 1 ГГц. Более длинный диапазон, например, мобильная широкополосная связь и массовые IoT, например: 600 МГц, 800 МГц, 900 МГц. Это охват больших расстояний;
• Средний диапазон - от 1 ГГц до 6 ГГц. Более широкие полосы пропускания: 3.4–3.8 ГГц, 3.8–4.2 ГГц, 4.4–4.9 ГГц. Высокая пропускная способность в городских районах, охват среднего радиуса действия. Использование внутри помещений;
• Высокий диапазон - выше 24 ГГц (мм-волна). Экстремальные полосы пропускания, например: 24.25–27.5 ГГц, 27.5–29.5, 37–40, 64–71 ГГц. Малый радиус действия и большая пропускная способность.

Большое количество малых сот

Малые соты - это базовые станции с небольшим радиусом действия, они покрывают на улицах ограниченную область или применяются внутри помещений. Малые соты имеют все основные характеристики обычных базовых станций, поддерживают высокие скорости передачи данных с минимальной задержкой.

В зависимости от зоны покрытия и количества обслуживаемых пользователей Малые БС делятся на три основные категории.

Фемтосоты (Femtocells)

Фемтосоты - это в основном небольшие мобильные базовые станции, предназначенные для обеспечения расширенного покрытия в жилой зоне и офисных помещениях. Плохой уровень сигнала от базовых станций оператора мобильной связи может быть компенсирован путем использования Femtocells. Фемтосоты в основном используются для расширения зоны покрытия и увеличения емкости данных для пользователей внутри помещений. Для их работы необходим Интернет канал.

Основные технические характеристики

Пикосоты (Picocells)

Пикосоты являются еще одной категорией малых сот, устанавливаются на малых предприятиях для расширения покрытия сети и увеличения пропускной способности передачи данных. Еще одно популярное название – репитер.

Основные технические характеристики

Микросоты (Microcells)

Микросоты предназначены для поддержки большего числа пользователей по сравнению с фемто- и пикосотами. Благодаря высокой мощности передатчика, они способны покрывать соты большего размера и применяются на улицах.

Основные характеристики / технические характеристики

З сегмента для развития 5G – eMMB, ULLRC и mMTC

1. Усовершенствованная мобильная широкополосная связь (eMMB - Enhanced mobile broadband): соединение со скоростью до нескольких гигабайт в секунду для ресурсоемких приложений телемедицины и виртуальной реальности.
2. Сверхнадежная сеть с низкой задержкой (ULLRC - Ultra Low Latency Reliable Communication): интеллектуальная сеть с задержкой менее 1 миллисекунды и сверхнадежностью для критически важных приложений промышленной автоматики и автономного транспорта.
3. Массивный IoT (Massive IoT/IIoT, мMTC (massive Machine Type Communication). Интернет вещей соединит огромное количество (миллионы или миллиарды) устройств и интеллектуальных датчиков для массовой машинной коммуникации приложений в умном доме, здравоохранении.

Обычная мобильная сеть ограничена технологией - частотным спектром (полосы пропускания) и сетевой инфраструктурой. Емкость передачи данных и количество абонентов в каждой соте регламентировано. В 5G используются технологии массивного MIMO и 3D Beamforming-a, что позволяет увеличить скорость передачи данных и эффективность использования спектра.

Массивное МИМО (Massive MIMO)

MIMO расшифровывается как множественный вход, множественный выход. В 4G у нас было около десятка портов MIMO, предназначенных для передачи сигналов: восемь работают на передачу и четыре на прием. В технологии 5G мы увеличиваем это число почти в 4 раза, чтобы сигналы проходили быстрее во всех направлениях. Эта технология получила название Massive MIMO.

Но сложность сети возрастает, и мы сталкиваемся с большим количеством помех, поскольку многие сигналы передаются на одинаковой частоте через одни и те же станции. Чтобы преодолеть это, используют метод формирования и отслеживания луча.

Формирование луча (3D Beamforming)

Трехмерное формирование луча - используется в базовых станциях mmWave и на частоте ниже 6 ГГц для направления сигналов на абонентские устройства. Это метод предназначен для устранения помех сигналов, вместо того чтобы передавать сигналы с антенн во всех направлениях, мы направляем сфокусированный сигнал в указанном направлении точно в цель, это уменьшает помехи и ослабления сигнала. Это ключевая технология в преодолении ограничений диапазона и доставки высокочастотных сигналов.

Как работает 5G?

Ключ к пониманию различий между 5G NSA и SA лежит в бэкэнде сети. Первые сети 5G, основанные на стандарте NSA, используют существующую инфраструктуру 4G LTE для обработки плоскости управления. Плоскость управления обрабатывает сигнальный трафик, управляет подключением пользовательских устройств к базовым станциям, проверкой подписок и т. д. Между тем плоскость данных - это то, что вы и я фактически используем для отправки и получения данных.

В некотором смысле, 5G NSA можно рассматривать как просто наличие сверхбыстрой передачи данных, подключенной к существующей инфраструктуре 4G LTE. Принятие спецификации 5G Standalone (SA) позволяет увидеть переход плоскости управления на ядро 5G и отметить гораздо большие изменения в работе сетей.

В дополнение к внедрению плоскости управления поверх радиотехнологий 5G, Standalone поддерживает более гибкую секцию сети и кодирование поднесущих.

Network Slicing (сетевая нарезка) - это форма архитектуры виртуальной сети, обеспечивающая большую гибкость для разделения, совместного использования и связывания частей внутренней сети. Это позволит сотовым операторам предлагать своим клиентам более гибкий трафик, приложения и услуги. Эта идея рассматривается как ключ к реализации автономных транспортных средств и умных городов.

Изменения в поднесущих немного сложнее объяснить. Технологии включают в себя:

• масштабируемое OFDM;
• разнесение поднесущих;
• оконное OFDM;
• гибкую нумерологию;
• масштабируемые интервалы времени передачи.

Проще говоря, кадры, которые переносят данные, могут быть больше и быстрее, когда требуется более высокая пропускная способность при высокой эффективности. В качестве альтернативы, эти кадры могут быть уменьшены для достижения гораздо меньшей задержки для приложений реального времени.

Первые сети 5G будут основаны на нестандартной спецификации, до больших изменений с полной автономной спецификацией после 2021 года.

Модуль базовой станции 5G.

Что значит 5G для потребителей?

Базовые радиостанции IMT-2020 5G должны предоставить пользователям скорость не менее 20 Гбит/с на загрузку и 10 Гбит/с на отправку данных. Это относится к общей скорости потока, поэтому фактическая скорость у абонента будет ниже. В спецификации говорится, что каждый пользователь должен получить минимальную скорость загрузки 100 Мбит/с и скорость отправки 50 Мбит/с.

Базовые станции 5G должны будут обслуживать как стационарных пользователей, так и транспортные средства, движущиеся со скоростью до 500 км/ч. Сети пятого поколения должны предлагать потребителям максимальную задержку в 4 мс. Также упоминается задержка в 1 мс для сверхнадежной связи с малой задержкой (URLLC). Для сравнения, мое соединение 4G LTE в Москве имеет задержку 78 мс.

5G также обеспечивает одновременное подключение тысячам устройств Интернета вещей (IoT) с низким энергопотреблением и поддерживает подключение (D2D) с малой задержкой между соседними устройствами.

5G vs 4G - ключевые отличия

По сравнению с 4G LTE сети 5G будут работать стабильнее и быстрее. Минимальные скорости пользователей увеличиваются с 10 Мбит/с до 100 Мбит/с, что в 10 раз больше. Задержка будет снижена на аналогичную величину, с 10 мс до 1 мс по сравнению с LTE-Advanced. Значительное увеличение пропускной способности также означает, что 5G сможет обрабатывать до одного миллиона устройств на квадратный километр, что еще в 10 раз больше, чем у LTE-A, и все это в 10 раз повышает энергоэффективность сети.

За эти годы LTE претерпел много улучшений. От введения 256QAM и агрегации несущих с LTE-A до поддержки более широкого использования нелицензированного спектра через LAA, LWA и Multefire с LTE-A Pro. Вот почему сегодняшние 4G сети намного быстрее, чем те, которые были построены во время первоначального развертывания.

5G продвинулся еще на один шаг вперед, предписывая использовать модуляцию 256-QAM и улучшая технологию агрегации несущих путем поддержки нелицензированного спектра частот ниже 6 ГГц и миллиметровые-волны. Изображение ниже довольно кратко объясняет это основное различие.

Развитие 5G сетей в 2019-2021 годах

К запуску 5G готовятся как сотовые операторы, так и производители устройств. Как это было с принятием сетей 4G LTE, так же будет поэтапным процесс развёртывания 5G, и некоторые страны запустят свои сети намного раньше других.

Середина 2019 года - смартфоны и сети 5G доступны для первой волны потребителей. Однако очевидно, что развертывание не будет увеличиваться в более глобальном масштабе до 2020 и 2021 годов. Даже к 2023 году ожидается, что только 50 процентов потребителей будут иметь смартфон 5G и сетевое подключение.

5G в США

США являются одной из первых стран, которые подключили свои сети 5G к нескольким операторам в первой половине 2019 года. Американские операторы были одними из крупнейших сторонников технологии миллиметровых волн. Первопроходцем стал Verizon, предложив потребителям 5G через услугу фиксированного беспроводного доступа, за ними подтянулись Sprint и T-Mobile.

Европа отстает от лидеров

Европа отстает от США, и первые сети 5G включились ближе к концу 2019 года. Великобритания первой запустила 5G в крупных городах. EE планирует запустить свой сервис в 16 городах в этом году. Между тем O2, Vodafone и Three планируют дату запуска 5G на 2020 год. На континенте основные игроки Orange, Deutsche Telekom и Telefonica взяли на себя обязательство запуска не ранее середины 2020 года.

Частично эта задержка заключается в техническом согласовании между полосами спектра, а полная готовность ожидается в 2022 году.

Амбициозная Азия

Япония и Южная Корея были лидерами тестирования инфраструктуры на протяжении всего цикла разработки 5G.

В Южной Корее крупные операторы начали коммерческое развертывание 5G в первом квартале 2019 года. Южная Корея набрала 1 миллион абонентов 5G всего за 69 дней после первого запуска. Ожидается, что общенациональный запуск будет завершен к 2022 году. В Японии Олимпиада 2020 года станет следующей целью для испытаний 5-миллиметровой волны в густонаселенных городских районах, а соглашение между Nokia и NTT DoCoMo начнет действовать в том же году.

Китай быстро становится основным игроком 5G. В стране находятся крупные телекоммуникационные инфраструктурные компании, такие как Huawei и ZTE, которые будут предоставлять оборудование операторам по всему миру. Китай также инвестировал 180 миллиардов долларов в материковую инфраструктуру, что в четыре раза больше, чем в Японии. China Mobile тестирует свои услуги в крупных городах в этом году и планирует полный коммерческий запуск в 2020 году.

5G в России

Пятое поколение в России общедоступным станет еще не скоро, все упирается в частотный дефицит.

Самые популярные в мире и удобные в плане эффективности частоты 3,4-3,8 ГГц заняты военными. Тем не менее, вполне вероятно, что у нас 5G будет работать с сигналами "миллиметровой волны" на более высоких частотах 25-29 ГГц. Или мы пойдем своим "эксклюзивным" путем развития 5G в диапазоне 4,4—4,99 ГГц. 24 декабря на заседании государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) объявили о проведении аукционов в третьем квартале 2020 года. Для создания сетей 5G будет торговаться частотный ресурс в диапазоне 4,4-4,99 ГГц и 25,25–27,5 ГГц.

А как насчет 5G смартфонов?

В настоящее время на рынке не так много смартфонов, способных работать в сетях 5G. 5G Moto Mod, доступный для Motorola Moto Z3, возможно, считается первым.

Вот список 5G смартфонов, которые в настоящее время есть на рынке:

• Samsung Galaxy S10 5G
• Samsung Galaxy Note 10 5G / Plus 5G
• LG V50 ThinQ 5G
• OnePlus 7 Pro 5G
• Huawei Mate 20 X 5G
• Motorola 5G Moto Mod
• Xiaomi Mi Mix 3 5G
• Oppo Reno 10x Zoom 5G
• ZTE Axon 10 Pro 5G
• Huawei Mate X

Выделение полос частот в 5G

Как и в 4G, сети и смартфоны будут поддерживать разные полосы частот для передачи данных. В дополнение к существующим диапазонам LTE, 5G New Radio стандартизирует ряд новых для будущих сетей. 5G разделен на два диапазона, первый для частот между 400 МГц и 6 ГГц. Диапазон 2 учитывает диапазоны мм-волн между 24 и 53 ГГц.

Комментарии

Задайте свой вопрос

---

Вместе с этой статьей сейчас смотрят

Технология MU-MIMO в беспроводных роутерах

5 фактов о технологиях Wi-Fi 6 и 5G

Какая мощность излучения у сотового телефона

Как проверить уровнь сигнала на смартфоне