Сейчас начинается тестовое развертывание технологии связи пятого поколения – 5G, которое предполагает скорость передачи данных на одно терминальное устройство до 10 Гбит/с. И хотя возможности четвертого поколения мобильной связи (LTE) далеко не исчерпаны – их вполне достаточно, в частности, для трансляции видео, тем не менее, разработчики телекоммуникационных оборудования уже думают над созданием технологий 20-х годов. Зачем же нужно пятое поколение? Для 4К? Однако видео 4К отличается от HD только на экранах больше 40 дюймов – такой трудно вмонтировать в мобильном устройство. На самом деле разработчики новой технологии понимают, что 5G – это технология для нетрадиционных пользователей, точнее для IoT-устройств.
Особенности 5G
Разработки технологии следующего поколения начались еще в 2012 г. с создания нескольких рабочих групп. Разработчики исходили из того, что новое поколение мобильной связи возникает раз в десять лет, а стандарт LTE был зафиксирован в 2010 г. Поэтому было принято решение к 2020 г. разработать новый стандарт мобильной связи – его иногда так и называют «IMT-2020». При этом до 2015 г. планировалось отрабатывать различные новые идеи, которые должны быть реализованы в пятом поколении мобильной связи, до 2018 г. – проводить оптимизацию технологий, их стандартизацию и построение пилотных зон для проверки работоспособности в мультивендорной среде. До 2020 г. предполагалось предкоммерческое тестирование оборудования, после чего уже должно начаться полноценное коммерческое развертывание.
Среди новых разработок технологии можно выделить три ключевых проекта. Одним был европейский проект METIS, который поддерживался Еврокомиссией и координировался Ericsson. Его поддержали такие производители, как Alcatel-Lucent, Ericsson, Huawei, Nokia и NSN. Другим был английский 5GIC, который координировался Университетом Суррея – его со временем поддержали Huawei, Samsung, Telefonica Europe, Fujitsu Laboratories of Europe, Rohde & Schwarz и AIRCOM International. А третий – американский альянс ISRA, образованный компанией Intel и множеством научных центров и операторов услуг. Россия традиционно ориентировалась на европейские разработки, поэтому для нас наиболее интересен проект METIS.
В проекте METIS несколько рабочих групп, каждая из которых разрабатывает своей аспект 5G. Естественно, в его составе есть группы, исследующие вопросы организации радиоканала (WP2 – председатель Huawei), использование частотного спектра (WP5 – Nokia), оценки ключевых показателей эффективности KPI (WP1 – DoCoMo), системного дизайна и характеристик, управления и взаимодействия (с WP6 по WP8 – Ericsson). Наиболее интересными являются разработки в области передачи сигналов через мультиузловые сети и многоэлементные антенны (WP3 – Alcatel-Lucent), т. е. меш-сетей, и многоуровневых и мультитехнологических сетей (WP4 – NSN), т. е. применение к мобильной связи идеологии SDN. Результаты работы именно этих групп представляют особый интерес, поскольку подобных технологий практически не было в предыдущих поколениях мобильной связи. Исследования в данной области необходимы для эффективного использования 5G в качестве основы для IoT-сервисов.
Заявленные производителями характеристики 5G следующие: возможность увеличения объема передаваемых данных более чем в 1000 раз (до 10 Гбит/с); увеличение от десяти до 100 раз количества присоединенных абонентских устройств (до 300 тыс. на узел доступа); увеличение от десяти до 100 раз типовых скоростей передачи данных на стороне пользователя; увеличение в десять раз срока службы батарей; снижение в десять раз задержки (менее 1 мс). Очевидно, что традиционным мобильным телефонам такие характеристики не нужны – сложно представить 300 тыс. человек, собранных в радиусе действия одной базовой станции. А уж задержка менее 1 мс по сравнению с 10 мс для человека вообще не принципиальна. Понятно, что данная технология разрабатывается для IoT-устройств, технологий M2M и мобильных роботов, где подобные технологии и характеристики принципиальны.
Существующих технологий организации радиоканала уже недостаточно для достижения указанных характеристик, поэтому предлагаются различные способы увеличения полосы пропускания: использование более широкополосных сигналов (с полосой до 200 МГц), более сложная кодировка, работа на большей частоте (до 6 ГГц – эволюция LTE, с добавлением частот из диапазона от 6 до 60 ГГц) и другие инженерные ухищрения. При этом технология должна позволять создавать дешевые терминальные устройства без сложных антенных конструкций. В настоящее время проводятся тестовые испытания первых образцов оборудования, которое и позволяет оценить возможность создания технологии с указанными техническими и экономическими характеристиками и обеспечения ее работоспособности в многовендорной среде. Первые демонстрации 5G в России провела летом прошлого года компания Huawei.
Потребность и особенности
Сложность представляет даже не сама технология связи, а управление большим количеством высокоскоростных каналов связи. Дело в том, что автоматические мобильные устройства – именно для них и предназначена технология 5G – потребляют мобильную связь несколько по-другому, чем традиционные мобильные телефоны. Для них не критичен непрерывный поток передачи данных с определенной скоростью. Им существеннее гарантия передачи небольших пакетов – телеметрии и команд. Даже для видеокамер необходима не столько полоса пропускания, сколько гарантия не искажения отдельных кадров. А для автономных мобильных роботов, например, важна гарантия своевременной доставки отдельных очень коротких команд – та самая 1 мс задержки.
Кроме того, у мобильных сетей предыдущих поколений была одна серьезная архитектурная проблема – при большом количестве устройств, подключенных к одной базовой станции, неизбежен вопрос с частотным ресурсом станции. Инженеры как могут разводят каналы и частоты за счет правильного расположения антенн, но эфирный ресурс ограничен, а количество человек (и мобильных устройств), которые могут одновременно находиться на одной площади, по-прежнему слишком велико. В результате организация связи в точках массового скопления народа всегда представлялась затруднительной. Но при подготовке технологии связи для IoT-устройств проблема многократно усложняется, поскольку каждый человек может носить с собой несколько независимых устройств, которые, к тому же, могут быть установлены на различных сооружениях или технике. А, например, для мобильных роботов серьезной проблемой может стать недоставка команды по причине перегрузки сети.
В целом же вероятность массового скопления устройств может оказаться выше, чем вероятность массового скопления народа. Поэтому разработчики 5G активно занимаются этой проблемой. Собственно, решение обсуждается уже достаточно давно – использовать архитектуру меш, при которой терминальное устройство берет на себя часть функционала базовой станции по передаче сообщений других участников сети. Такая сеть является самоорганизующейся, причем чем больше устройств находится в одной точке, тем эффективнее работает меш-сеть. Поэтому в технологии 5G изначально заложена возможность создания мобильных меш-сетей – та самая рабочая группа номер 3.
Еще одной проблемой мобильных технологий является надежность, поскольку радиосвязь может ухудшиться в любой момент из-за помех или природных условий. Сеть пятого поколения должна обеспечивать надежность функционирования сети связи с гарантированной передачей команд, что необходимо для тех же мобильных роботов – если команда не дойдет до них по причине выхода из зоны покрытия, тогда тоже могут возникнуть проблемы. Именно для этого и можно использовать меш-сети с многоуровневой передачей данных с целью динамической адаптации к природным условиям (рабочая группа номер 4). Использование нескольких радиодиапазонов, ретрансляция данных через подключенные устройства и самоорганизующиеся меш-сети – всем этим должно управлять SDN-приложение, работающее на базовой станции. Надежность передачи достигается за счет дублирования команд через ретрансляцию передачи на нескольких частотах.
Сервисы
Следует отметить, что сама технология не представляет интереса для пользователей, как уже было сказано, увеличение скорости передачи и снижение задержки пользователи мобильных телефонов вряд ли заметят. Важнее, что мобильная связь пятого поколения позволяет строить мобильные сервисы с помощью IoT-устройств. Без появления этих устройств, организации приложений для работы с ними и предоставления реальных услуг будет сложно по достоинству оценить 5G. Во всяком случае, если появятся автомобили с автопилотом, дроны, доставляющие посылки на балкон, или роботы-уборщики, без стандарта 5G сделать их достаточно удобными вряд ли получится. Однако очевидно, что и самого 5G для таких продуктов недостаточно – мобильная связь выступает лишь платформой для технологической передачи команд, но логика работы этих сервисов должна создаваться отдельными специальными проектами.
Именно поэтому разработчики и предусмотрели период предкоммерческого использования, который начнется в 2018 г., чтобы разработчики IoT-устройств, уже имея работающие прототипы компонент мобильной связи пятого поколения, могли на их основе создавать и отлаживать устройства, которые будут выпущены к финальному старту коммерческой эксплуатации сетей пятого поколения. Причем российские разработчики могут принять участие в создании подобных проектов – российские операторы уже сейчас начинают демонстрировать работу сетей пятого поколения и разворачивать пилотные зоны. Например, для создания полностью автоматического склада, где на каждом элементе хранения будет собственная IoT-метка, а погрузчики будут без помощи людей автоматически перемещать эти умные контейнеры, достаточно одной не очень большой пилотной зоны. Причем в таком проекте актуальными могут оказаться и 300 тыс. устройств на одну базовую станцию и задержки в 1 мс.
Тем не менее, операторы понимают, что как сложно было запустить сеть LTE без наличия у клиентов LTE-модемов или смартфонов с поддержкой этой технологии, так и технологию пятого поколения проблематично внедрить без разработки подобных сервисов. Роботизированные системы могут оказаться востребованными не только и не столько частными пользователями, сколько корпоративными. Вполне возможно, что мобильная связь пятого поколения будет более востребована именно корпоративными пользователями, и разрабатывать IoT-проекты стоит с учетом этой особенности.
Валерий Коржов, Connect
