5G: новая парадигма телекоммуникаций

Алексей Шалагинов, независимый эксперт

5G – это не просто новый стандарт связи или технологическая эволюция мобильных сетей связи. 5G – это новая парадигма услуг телекоммуникаций и информационных технологий. Сеть 5G будет представлять собой плотно распределенную матрицу (Fabric) функций вычисления, хранения и сети, которая глубоко проникает в нашу общественную и экономическую реальность. И точно так же, как в компьютере операционная система (OS) управляет его работой и предоставляет сервисы для приложений, 5G будет иметь глобальную операционную систему (GOS), способную управлять конвергированной инфраструктурой мобильной и фиксированной сети.

В чем отличие 5G

Если обратиться к истории вопроса, то именно введение операционной системы (ОС) в компьютерах дало старт широкому распространению программ и приложений, поскольку ОС предоставляет высокоуровневое абстрагирование для аппаратных ресурсов компьютера – процессора, памяти, системы хранения, коммуникационных интерфейсов, а также для информации – файлов и директорий. До введения ОС было достаточно сложно разрабатывать алгоритмы, писать и отлаживать коды программ, ибо приходилось учитывать массу технических особенностей оборудования.

Аналогично концепция глобальной операционной системы (Global Operating System – GOS) состоит в определении «сервисов» для унифицированной абстракции всех физических ресурсов сети 5G, в частности базовых станций и серверов для обработки, хранения и передачи информации по сети сквозь элементы инфраструктуры (дата-центры, сети агрегации и доступа, терминалы и fog-системы) и сквозь различные уровни облачных услуг, например IaaS, PaaS, SaaS.

Другая особенность GOS – автоматизация операций для снижения ручного вмешательства в текущую работу инфраструктуры. Как видим, инфраструктура 5G имеет много общего c концепцией виртуализации сетевых функций NFV. Таким образом, развертывание 5G предполагает повсеместную виртуализацию сети на базе SDN/NFV.

В конечном итоге сеть 5G сократит «размерность» пространства-времени для общества и экономики за счет гораздо более быстрого доступа к услугам, расширенной в несколько раз полосы пропускания и снижения задержки передачи по сети до 1 миллисекунды, т. е. практически незаметной для органов чувств человека. Предоставление услуг в сети 5G будет похоже на установку и исполнение приложений в операционной системе настольного компьютера.

Быстро, как только возможно… и еще быстрее

По данным сайта OpenSignal, средняя задержка сетей 3G американских операторов связи AT&T, T-Mobile, Sprint и Verizon составляет сейчас около 125 мс, а задержка их сетей 4G – примерно 80 мс. Поэтому достижение задержки 1 мс в сети 5G является радикальной переменой. Однако скорость света вносит тут теоретический предел, который нельзя превзойти, и если пакету данных нужно будет преодолеть по сети расстояние в 1000 км, то задержка составит 6,7 мс, а если в 20 тыс. км – 133 мс. Но если посмотреть на текущие значения и теоретические пределы, то для сетей 5G еще есть простор для совершенствования. Так, французский оператор Orange и шведский вендор Ericsson достигли пиковой скорости более 10 Гбит/с на пилотных испытаниях участка сети 5G во Франции. На сегодня это самая высокая скорость в сети 5G.

Отсюда открывается прямой путь к реализации концепции предоставления услуг «все как услуга» – XaaS, т. е. при все более и более широкой номенклатуре типов терминальных устройств 5G. Это будут прежде всего разнообразные устройства Интернета вещей – интеллектуальные устройства, роботы и «умные» вещи. Услуги 5G могут значительно повысить производительность труда на заводах, обеспечивая децентрализованное «микро-производство» (вещи мы тогда будем искать не в магазине, а заказывать их в ближайшей «мастерской 3D-печати», хотя, скорее всего, это уже будет называться совсем по-другому), эффективное взаимодействие личности и общественных/государственных организаций. В общем, сеть 5G постепенно будет создавать «умную» среду обитания нового человека.

«Новое радио»: от NB-IoT до EMB (Enhanced Mobile Broadband)

Стандарт «нового радио» New Radio (NR), разработанный 3GPP для сетей 5G в 2016 г., закладывает основы мобильных сетей нового поколения. Если действующие сети 2G/3G/4G соединяют в основном людей, то сеть 5G будет соединять всё! Другими словами, коннективность 5G NR будет присутствовать не только в смартфонах, но и в автомобилях, коммунальных счетчиках, носимых устройствах и во многих других «умных» вещах. Цель 5G NR состоит в том, чтобы полностью обеспечить любой тип устройств подключением к сети 5G, оптимизированным под данное устройство, а также всегда доступными и безопасными облачными услугами.

Однако 5G NR означает не только мультиплекс из множества услуг, но и новые технологии беспроводной связи, поднимающие мобильные сети на новые высоты: MIMO, адаптивное формирование луча и отслеживание луча (beam-tracking).

Новые технологии узкополосного IoT (NB-IoT) дают возможность батареям в недорогих и малоразмерных устройствах Интернета вещей работать в течение десяти лет без подзарядки. Кроме того, они могут обеспечить более глубокое покрытие сети внутри зданий и во многих удаленных местах.

Услуги 5G

Среднегодовой темп увеличения трафика мобильных данных в сотовых сетях составляет 23%. За период 2015–2020 гг. прогнозируется его десятикратный рост, но наверняка этот показатель будут намного превышен, прежде всего за счет роста потребности клиентов в высококачественных видеоуслугах, 4K/8K, UHD (Ultra-High-Definition), в виртуальной реальности VR (Virtual Reality), дополненной реальности AR (Augmented Reality) и таких сервисах, о появлении которых мы сегодня даже еще не подозреваем.

• Интернет вещей – IoT (Internet of Things)

Сеть 5G позволяет устройствам с чипом IoT быть подключенными вне зависимости от времени и места и коммуницировать им между собой без участия человека. Такая сеть способна поддерживать до миллиона одновременных подключений на 1 км². Именно поэтому сеть 5G называют не «network», а «fabric» – тканью. По аналогии с устоявшимся за многие годы термином «cloud computing» введен новый термин «Fog computing» («туманные вычисления»). Имеется в виду, что если в облачных вычислениях дата-центры находятся «высоко» в архитектуре сети, то «fog» («туман») лежит гораздо «ниже» – более распределенно. То есть подразумевается именно распределенность узлов 5G и вычислительных операций для них.

Услуги межмашинных (M2M) подключений могут включать считывание данных с коммунальных счетчиков через мобильную сеть, мобильные платежи, интеллектуальные сети распределения электроэнергии (Smart Grid), интеллектуальный транспорт, телемедицину и системы электронного здравоохранения.

Все это должно кардинально поменять повседневную жизнь людей, однако не ранее чем будут выполнены три ключевых условия:

• зрелость технологий доступа 5G;
• разработка стандартов;
• покрытие сети с плотностью до миллиона устройств на квадратный километр.

• «Умный» дом (Smart Home)

«Умные» посудомоечные машины могут сами настраиваться на оптимальный режим работы, обмениваясь информацией с такими же моделями по соседству. «Умный» холодильник может порекомендовать хозяйке рецепт блюда из тех продуктов, которые у него внутри. Сценариев может быть великое множество, и перечень будет постоянно пополняться по мере появления все новых «умных» вещей.

• Здравоохранение и фитнесс (Healthcare & Fitness)

Носимые устройства с датчиками или имплантированные в кожу пациента датчики могут быстро сообщить лечащему врачу об аномалиях в организме пациента. Аналитические системы с использованием Big Data даже без участия врача смогут проанализировать ситуацию и выдать немедленную рекомендацию о действиях: назначение лекарств, прохождение физиотерапии или желательной консультации у врача. Все это поможет распознать ранние признаки многих тяжелых недугов: сердечной недостаточности, инфарктов, инсультов и пр.

У людей, занимающихся спортом, такие устройства могут осуществлять полноценный контроль физических параметров во избежание перегрузок или порекомендовать следующее упражнение, его интенсивность и продолжительность.

В 2013 г., по данным ABI Research, было продано 32 млн устройств, относящихся к категории Healthcare & Fitness.

• Тактильный Интернет (Tactile Internet)

Сеть 5G способна обеспечить новое качество услуг, которое называют «тактильным Интернетом» (Tactile Internet). Он способен передавать не только информацию, но и ощущения: прикосновение, перемещение, действие. Например, с его помощью можно учить рисовать, играть на музыкальных инструментах, проводить удаленные хирургические операции, т. е. все то, что требует от нас навыков «мелкой моторики». Уже созданы «тактильные кодеки» – по аналогии со звуковыми и видеокодеками.

Здесь возникает одна проблема: нужно передавать не только действие, но и противодействие предмета, на который действие направлено, причем очень быстро – в пределах тысячных долей секунды. И именно сеть 5G с ее невероятным по сравнению с сегодняшними LTE-сетями, все еще имеющими заметную задержку, быстродействием способна обеспечить такую мгновенную реакцию, однако в существенно ограниченных пространственных пределах.

Даже свет, самое быстрое, что есть в природе, способен за 1 мс преодолеть лишь 50 км. Как же, например, квалифицированный хирург из Санкт-Петербурга будет делать удаленную операцию для пациента в Анадыре? Задержка сигнала в этом случае может составить несколько десятков и даже сотен миллисекунд, тогда как сложная операция требует мгновенной реакции хирурга на малейшие изменения в оперируемом органе человеческого тела. И если задержка составит здесь ощутимую величину (например, человеческий слух распознает задержку более 50 мс), то последствия могут быть необратимыми.

Однако выход и из этого тупика был найден. Дело в том, что все наши действия, движения весьма похожи и склонны к многократному повторению, что объясняется ограничениями анатомии тела человека. Поэтому можно создавать программно-аппаратные «предсказательные движки» (Predictive engine), которые по начальному положению руки и едва начавшемуся движению вычисляют, каким будет дальнейшее движение и примерно в какой точке оно завершится. Кроме того, можно передавать не все пространственные координаты руки или инструмента, а только их изменения. Все это значительно повышает быстроту передачи действия и реакции.

Здесь мы видим, зачем нужна плотно распределенная сетевая ткань (Fаbric) в 5G, которая обеспечивает не только сетевые, но и вычислительные ресурсы по всему пространству сети. Ведь если «предсказательные движки» на стороне исполнения будут находиться не в Анадыре, а скажем, в Новосибирске, то пользы от такого «движка» в этом применении будет мало.

• Самоуправляемый транспорт (Self Driving Vehicles)

Самоуправляемые автомобили (Self Driving Сar) и другой автотранспорт – еще одно приложение для 5G. Такие автомобили уже существуют, например, уже довольно известная модель Tesla, созданная одной из компаний Илона Маска, – Tesla Motors. Однако пока этот автомобиль работает довольно автономно и не обладает функциями Тактильного Интернета.

В сети 5G подобные машины будут активно обмениваться информацией с облаком данных, в котором будет постоянно находиться и в реальном времени обновляться информация о дорожной ситуации, окружающих объектах и климатических условиях на пути следования. Такой подход поможет избежать трагических ситуаций, в которые сейчас иногда попадают автомобили Tesla. Например, был случай, когда бортовой компьютер принял разворачивающийся поперек дороги грузовик за рекламный плакат над дорогой, что привело к тяжелой аварии. Если бы автомобиль вовремя получил информацию об изменившейся дорожной ситуации через облако 5G, этой аварии удалось бы избежать.

Уже создан прототип автомобиля для сети 5G, в котором даже нет руля. По сути дела, это настоящий дом-офис на колесах, в котором есть практически все, что нужно для комфортного времяпрепровождения и продуктивной работы. Человеку уже не надо тратить свое драгоценное время на тяжелую работу водителя: разъезжая по своим делам, он может употребить это время с пользой для себя и своей работы.

• Высококачественное видео 4К/8К и UHD, дополненная и виртуальная реальность (AR/VR)

В среде 5G пользователи могут получить максимально приближенное к реальности видео в любом месте и на любом мобильном устройстве. Они могут даже ощущать себя как часть происходящего. Однако чтобы всего этого достичь, необходимо решить еще много технических задач. Следом за уже реализованными видеосистемами 4К/8К на подходе стандарт ультравысокого разрешения UHD (Ultra High-Definition), полномасштабное развертывание которого ожидается к 2020 г.

Другие примеры «иммерсивных» (т. е. приближенных к реальности – immersive services) видеоуслуг, которые породят фундаментальные изменения в индустрии развлечений, – это «виртуальная реальность» VR (Virtual Reality) и «дополненная реальность» AR (Augmented Reality).

Первую ласточку AR мы уже видели на примере ставшей необычайно популярной игры Pokemon-Go, вызвавшей неоднозначную реакцию в некоторых странах. Однако же по сравнению с будущими приложениями AR эта игра, наверное, потом будет выглядеть как древняя компьютерная игра PACMAN на алфавитно-цифровом дисплее (если кто-то еще помнит, что это за игра и что это за дисплей).

Наибольшую пользу от услуг AR можно получить при навигации и вождении машины. На рис. 7 показан пример «дополненной реальности» AR в автомобиле.

Виртуальная реальность – VR – представляет собой искусственный мир, в котором физический мир представлен компьютерной графикой и пользователь может активно взаимодействовать в нем с симулированными элементами. Например, это может быть интерактивная трансляция спортивных матчей, когда две установленные на стадионе камеры UHD позволяют VR-зрителю поворачивать голову туда-сюда и видеть происходящее по сторонам и в трехмерном изображении, как будто он и в самом деле находится на стадионе. Такие услуги незаменимы для риелторов, которые смогут показать все детали объекта для продажи, организовав виртуальную прогулку по нему, так что покупатель может сам осмотреть все закоулки.

Для примера можно посмотреть этот ролик: https://youtu.be/ecavbpCuvkI, в котором можно управлять направлением взгляда с помощью мыши или тач-пада. Уже недалеко то время, когда картинка будет следовать за направлением зрачков вашего глаза.

Другое не менее интересное применение VR – интерактивные фильмы с охватом сцены в 360^о, онлайновые игры, удаленное обучение, виртуальные оркестры, когда пользователь может, например, сыграть на ударных инструментах вместе со знаменитыми музыкантами группы Deep Purple.

Здесь мы лишь коснулись будущих услуг 5G и опыта пользователя в этой сети. Наверняка спектр подобных услуг в 2020 г., когда прогнозируется полномасштабное развертывание стандарта, будет гораздо более широким. Многое из того, что станет привычным и доступным в будущем, сегодня еще не существует.

Могли ли мы предполагать, что будем смотреть фильмы в высоком качестве через Интернет, а не с DVD-диска, или непринужденно беседовать по видеосвязи через мессенджер? Скорее всего, о большинстве потрясающих воображение услугах 5G никто сейчас и не подозревает.

Именно поэтому 5G – не просто новый вид сети, а новая парадигма телекоммуникаций нового поколения, коренным образом меняющая все стороны жизни человека и являющаяся частью того процесса, который сегодня называют «цифровой трансформацией».

Влияние на экономику и здоровый скептицизм

Многие аналитики прогнозируют высокий экономический рост, стимулированный развитием технологий 5G. Например, в Европе сектор ИКТ занимает около 4% ВВП, а инвестиции в него обеспечивают половину роста производительности труда. Новые мобильные технологии уже обеспечивают от 2 до 4% увеличения ВВП в шести странах Европы. Однако эксперты указывают, что в прошлом действительные революционные приложения в мобильных сетях появлялись лишь после широкого распространения новых технологий, поэтому ждать заметных перемен в области 5G стоит спустя как минимум несколько лет. Стандарты 5G будут полностью разработаны к 2018–2019 гг., а развертывание коммерческих сетей начнется не ранее 2020 г.

Британский премьер-министр Тереза Мэй в начале 2017 г. объявила, что часть бюджета Великобритании в 4,7 млрд фунтов стерлингов на инновационные исследования и разработки будет выделена целевым назначением для исследований в области 5G и искусственного интеллекта AI (Artificial Intelligence).

По данным консалтинговой фирмы Accenture, распространение инфраструктуры сетей 5G может к 2020 г. привести к созданию 3 млн новых рабочих мест и добавить более 500 млн долл. в экономику США. Ожидается, что уже в течение следующих семи лет операторы связи инвестируют до 275 млрд долл. в создание инфраструктуры сетей 5G. Accenture прогнозирует, что использование технологий 5G только в создании инфраструктуры «умных» городов в США позволит создать 350 тыс. рабочих мест, а также 850 тыс. рабочих мест у партнеров и поставщиков.

Однако многие операторы сохраняют определенный скептицизм относительно перспектив 5G. Например, крупнейший британский мобильный оператор EE (сейчас входит в состав British Telecom) считает, что внедрение новых технологий способно лишь замедлить падение доходов от услуг (c 6,2 млрд англ. фунтов в 2011 г. до 6,0 млрд. в 2016 г.), но к росту доходов оно вряд ли приведет. Заметим, что это высказывание можно считать справедливым, если коренным образом не менять бизнес-модель оператора, а 5G именно это и предполагает. Но этого, как указывалось выше, следует ожидать не ранее 2020 г.

Опыт показывает, что высокие скорости доступа сами по себе не являются причиной какого-либо заметного роста доходов. Например, Бенгт Нордстрем, глава консалтинговой компании Northstream, полагает, что «несмотря на рост предложений в пакетах мобильного Интернета тенденция увеличения доходов операторов сохраняется отрицательной с 2008 г.». Он также отмечает, что «запуск 5G не означает роста доходов, но это может помочь операторам сохранить своих клиентов».

Что думают о перспективах 5G российские операторы? На Всемирном мобильном конгрессе MWC2016 в феврале 2016 г. вице-президент по стратегии и маркетингу компании МТС Василь Лацанич высказал определенный скептицизм на ближайшие пару лет относительно новой технологии, отметив, что следует решить много проблем бизнеса и регулирования, прежде чем компания начнет в нее инвестировать. Сеть 5G сейчас интересна больше вендорам, нежели операторам связи. По словам Лацанича, 5G предполагает другой уровень требований со стороны приложений и пользователей, которых сегодня еще попросту нет. Кроме того, необходимы значительная либерализация регулирования и рефарминг спектра частот для услуг 5G.

Тем не менее МТС в декабре 2015 г. объявила о пилотном проекте 5G с Ericsson – в период проведения Чемпионата мира по футболу 2018 г. Это сразу ставит оператора МТС в число немногих компаний в мире, которые планируют использовать 5G до формирования стандартов к 2020 г. В частности, оператор Verizon планирует коммерческий запуск 5G в 2017 г., а AT&T уже провела такие испытания в прошедшем году.

«МегаФон» также объявил о планах запуска пилотного проекта 5G во время Чемпионата в 2018 г. – вместе с китайской компанией Huawei.

«ВымпелКом», по сообщению «Интерфакса», в конце января текущего года подписал соглашение с Huawei о разработке плана по внедрению решений 5G и Интернета вещей. Однако пока предполагается лишь тестирование технологий LTE-U (LTE-Unlicensed) и LTE-Advanced Pro (так называемое промежуточное решение 4.5G). В будущем планируются разработка и тестирование решений IoT, M2M, vRAN, а также решений по безопасности. Коммерческая эксплуатация намечена не ранее чем на 2020 г.

Матрица 5G

Подводя итог, можно сделать следующие выводы.

1. 5G – не новая сетевая технология, а новая парадигма бизнеса в области ИКТ-услуг.
2. Предоставление коммерческих услуг 5G возможно не ранее 2020 г., когда будут решены регуляторные и стандартизирующие вопросы, а также создана необходимая сетевая инфраструктура – 5G Fabric.
3. Технология 5G очень тесно переплетена с виртуализацией сетевых функций NFV. До полномасштабного развертывания услуг 5G операторам необходимо пройти процесс «цифровой трансформации» своей сети, бизнеса и организационной структуры. По такому пути сейчас идут наиболее передовые операторы: AT&T, Verizon, Vodafone, Orange, China Mobile, Telefonica и др.
4. 5G приведет к тому, что в бизнесе операторов больше не будет «базовых» услуг и услуг «с добавленной стоимостью». Каждый оператор сможет сам определять пакеты услуг на основе предпочтений пользователей и конъюнктуры рынка.
5. «Опыт пользователя» (user experience) в сети 5G будет намного богаче и разнообразнее – за счет таких приложений, как IoT/IIoT, «подключенный автомобиль», самоуправляемый транспорт, приближенные к реальности (immersive) видеоприложения, а также тех сервисов, о которых сегодня мы еще можем и не знать.

Несколько советов вендорам

• Самое плохое, что можно сделать в продвижении решений 5G, – это так называемое overselling, т. е. пропаганда слишком завышенных финансовых ожиданий для заказчика. В частности, на конгрессе SDN в Дюссельдорфе в октябре 2015 г. Ноэль Форэ (Noël Foret), вице-президент французского оператора Orange, говорил, что завышение финансовых оценок/ожиданий (overselling) от новых продуктов – контрпродуктивно. Это может привести к сокращению инвестиционных программ на следующий период планирования (из-за завышенных объемов экономии как планируемого результата). Кроме того, это может вызвать у заказчика раздражение и разочарование в возможностях вендора.
• Большой ошибкой вендоров является маркетинговая политика, ориентированная на эксклюзивность сотрудничества с тем или иным оператором связи по модели «ключевого партнера». Крупные вендоры, участвующие в проектах цифровой трансформации вообще и 5G в частности, должны стремиться к сотрудничеству в рамках проекта, проводя политику «кооперенции» (конкуренция + кооперация). Вендоры должны делать больший упор на совместимость и взаимооперабельность своих решений и выходить к заказчикам с такими продуктами, функции которых протестированы в мультивендорной среде. Время «эксклюзивного партнерства» вендоров с операторами связи закончилось, поскольку теперь в связи с цифровой трансформацией операторского бизнеса наряду с такими монстрами, как Ericsson, Nokia и Huawei, на арену выходит много относительно небольших ИТ-компаний и софтверных стартапов, которые могут обеспечить то разнообразие сервисов и опыт пользователя, которые возможны в сетях 5G.