Переход к новому поколению технологий мобильной связи всегда требует революционных изменений в сетях мобильной связи – в архитектуре и на радиоинтерфейсе, внедрения новых диапазонов частот ценой потери обратной совместимости. Но зато налицо качественный скачок в производительности и возможностях сетей.
Смягчить революционные преобразования позволяют процедуры миграции и варианты архитектуры сети, обеспечивающие взаимодействие сетей разных поколений. Функции мобильности между доменами сети разных поколений четко прописываются в стандартах, новое терминальное оборудование – многорежимное, базовые станции – многостандартные. Радиотехнологии 5G могут быть внедрены с использованием опорной сети LTE (EPC) и «неавтономной архитектуры», а также возможности двойного подключения на радиоинтерфейсе к системам LTE и 5G (рис. 1, опция 3).
Рис. 1. Варианты архитектуры системы 5G
На последующих этапах развития сетей 5G будет востребована новая опорная сеть (5G-CN), конечно, c расширенным функционалом, позволяющим реализовать множество нововведений, необходимых, например, для более эффективной работы устройств, объединенных в Интернет вещей. Архитектура сетей 5G, где в опорной сети используются элементы нового поколения, показана на рис. 1, опции 2, 4, 7.
Стандартизация систем подвижной связи пятого поколения была запущена в рамках организации 3GPP несколько лет назад. В период 2016–2017 гг. уже были активны индустриально-операторские альянсы, которые разрабатывали свои спецификации, позволяющие запускать системы с характеристиками, отвечающими требованиям к системам пятого поколения. Выход таких спецификаций и разработка технических решений могли привести к фрагментации рынка оборудования мобильной связи вследствие отсутствия унификации и эффекта «экономии масштабов», потери всех преимуществ от глобально согласованного дизайна. Кроме того, налицо была огромная заинтересованность рынка в развитии технологий мобильной связи при лавинообразном росте потребления трафика данных и появлении новых услуг, которые требуют новых скоростей и новых возможностей от мобильных сетей.
В рамках партнерства 3GPP было принято амбициозное решение о выпуске спецификаций 5G фазы 0 в 2017 г. и фазы 1 в 2018 г. Сравнивая со стандартизацией 4G, мы наблюдали намерения индустрии ускорить этот процесс примерно на один-два года:
- первый семинар 3GPP по системам LTE прошел в ноябре 2004 г. Первые спецификации LTE, релиз 8 утверждены в декабре 2008 г.;
- первый семинар 3GPP по требованиям к системам 5G состоялся в сентябре 2015 г. Первые спецификации 5G утверждены в конце 2017 г.
Амбициозным планам стандартизации не суждено было сбыться. Ускорение процесса не пошло ей на пользу. Часть запланированных функциональностей (опции 4 и 7 архитектуры системы 5G) еще не прописаны в релизе 15, задержаны до марта 2019 г. Кроме того, в декабре 2018 г. в спецификации релиза 15 были внесены изменения, которые не обеспечивают обратной совместимости с вариантами спецификаций более ранних фаз этого релиза. Таким образом, решения 5G и коммерческие сети, планируемые к запуску в ближайшее время, должны базироваться на последних спецификациях от декабря 2018 г.
Современная дорожная карта стандартизации 5G приведена на рис. 2, где NSA – неавтономная архитектура (Non-Standalone Architecture), SA – автономная архитектура (Standalone Architecture).
Рис. 2. Дорожная карта стандартизации 5G
Для трех классов сервисов 5G – улучшенный мобильный широкополосный доступ, ультранадежная связь с малыми задержками, массовые машинные коммуникации – в спецификации релиза 15 вошли процедуры для обеспечения первых двух из перечисленных классов. Возможность реализации сервисов для массовых машинных коммуникаций появится после выхода релиза 16 3GPP, т. е. в 2020 г.
В релизе 15 прописаны и такие важные процедуры 5G, необходимые для реализации новых сервисов, как логическое разделение физической инфраструктуры на сетевые слои (Network Slicing), формирование специфической системной архитектуры для каждого сервиса в отдельности (Service Based Architecture).
В релиз 16 планируется включить функциональности, позволяющие увеличить эффективность систем 5G и расширить область их применения. С точки зрения повышения эффективности радиоинтерфейса планируется ввести новые функциональности в технологии MIMO, расширить функциональности двойного подключения, внедрить процедуры, позволяющие снизить энергопотребление устройств. Напомним, что в данный момент для радиоинтерфейса 5G прописаны только ортогональные схемы радиоинтерфейса на базе OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В рамках релиза 16 проводятся исследования неортогональных схем многостанционного доступа (Non-Orthogonal Multiple Access – NOMA) и гибкого динамического дуплекса (Dynamic Duplex), которые, вероятно, будут полностью стандартизированы только в рамках релиза 17, т. е. примерно в 2021 г.
Для расширения сценариев использования систем 5G планируется прописать в релизе 16 следующие функциональности (но не ограничиваясь ими):
- индустриальный Интернет вещей (Industrial IoT) для приложений, чувствительных к задержкам. Этот функционал должен обеспечить реализацию беспроводного Ethernet поверх радиоканала 5G в различных отраслях промышленности, где требуется высокая надежность доставки информации, например для автоматизации производства на заводах, различных процессов в энергетической промышленности и управления транспортной инфраструктурой;
- использование нелицензируемого спектра (New Radio Unlicensed – NR-U) как на линии вниз, так и на линии вверх. В отличие от LTE для систем 5G предусматривается возможность автономной работы в нелицензируемых диапазонах без привязки к несущим в лицензируемом спектре. Это позволит применять технологии 5G для любых индустриальных компаний и игроков рынка без получения лицензии на спектр. Рассматривается функционал NR-U для нелицензируемых диапазонов, в первую очередь 5 ГГц, затем 6 ГГц, а в более поздних релизах планируется прописать возможность работы в диапазоне 60 ГГц;
- связь между автомобилями и другими устройствами (Vehicle-to-Everything – V2X). Среди прочих вариантов связи V2X будет прописан вариант прямой связи между автомобилями (V2V) с использованием побочного канала (sidelink). Побочный канал 5G будет с самого начала оптимизирован для высокоскоростной связи с малыми задержками в отличие от аналогичного режима LTE, который был изначально разработан в целях поддержки приложений общественной безопасности и оптимизирован для поддержки голосового трафика и базовых сервисов обеспечения безопасности;
- интеграция каналов доступа и транспорта (Integrated Access and Backhaul – IAB). Для обеспечения непрерывного покрытия 5G, особенно в миллиметровом диапазоне, потребуется строительство сверхплотной сети малых базовых станций. В таких условиях можно ожидать проблем с проводным и оптическим транспортом. Здесь экономически эффективным решением становится создание транспортных каналов с использованием тех же частотных ресурсов, которые задействуются для доступа. Разделение каналов доступа и транспорта может выполняться во временной, частотной или пространственной области;
- хэндовер голосовой сессии из 5G в 3G. Стандартизируется по запросу операторов для развертывания 5G в зонах, где покрытие 3G лучше, чем покрытие 4G.
Краеугольный камень внедрения новых технологий в любой стране – подготовка и создание национальной нормативной базы, включая решение вопросов радиочастотного спектра. К сожалению, в России регуляторика традиционно отстает от потребностей рынка. Наиболее остро стоит вопрос с выделением спектра для систем 5G.
Сейчас для запуска первых сетей в мире наиболее востребованы два диапазона частот – 3,5 ГГц и 28 ГГц. О проблемах выделения спектра и перспективах развития дискутировали представители Министерства цифрового развития и связи и руководители операторских компаний в рамках круглого стола «О перспективах создания и развития сетей связи 5G в Российской Федерации» 30 января 2019 г. Запись этой дискуссии доступна в Интернете [1]. Итоги и выводы конференции неутешительны для игроков рынка мобильной связи: регулятор в условиях недостаточного частотного ресурса в указанных диапазонах видит только один путь развития 5G – создание единого инфраструктурного оператора 5G [2].
При таком пути развития технологии 5G помимо очевидных экономических демотивирующих факторов для свободной конкуренции на рынке мобильной связи возникает ряд технических препятствий. Сеть 5G в высоком диапазоне частот (>3 ГГц) будет базироваться на плотном взаимодействии с сетью LTE или с существующей сеткой сайтов для любой архитектуры, автономной или неавтономной, чтобы обеспечить достаточно хорошее радиопокрытие на линии вверх:
- в случае неавтономной архитектуры требуется реализовать двойное подключение абонентских терминалов к слою 5G и слою LTE, например LTE 1800 МГц + 5G 3500 МГц;
- в случае автономной архитектуры может потребоваться реализация дополнительной несущей на линии вверх (Supplemental Uplink), например 5G 1800 МГц + 5G 3500 МГц.
Если инфраструктурный оператор владеет частотными ресурсами в диапазоне 3500 МГц или 28 ГГц и эксплуатирует свою сеть 5G в режиме разделения ресурсов между операторами (RAN Sharing), предположим, четырьмя федеральными операторами, то неизбежно придется выполнять сопряжение с существующей инфраструктурой этих операторов в более низких диапазонах частот.
При использования дополнительной несущей 5G на линии вверх в низком диапазоне частот агрегацию несущих можно реализовать только в моновендорном решении. То есть на одной территории сети четырех федеральных операторов и сеть 5G инфраструктурного оператора должны использовать подсистему радиодоступа одного поставщика – утопия!
Для сопряжения между одной сетью 5G и несколькими сетями LTE разных операторов и от разных производителей при реализации двойного подключения потребуются немалые затраты:
- на интеграцию межвендорных решений (разных диапазонов и разных радиотехнологий);
- на транспортную сеть для подключения сайтов разных операторов. Допустимая задержка на интерфейсе между базовой станцией 5G и базовой станцией LTE составляет 20 мс, а рекомендуемая – 5 мс. Возможно, для реализации этих требований понадобятся выделенные линии между сайтами четырех операторов и сайтами инфраструктурного оператора.
В качестве альтернативного частотного диапазона в России рассматривается диапазон 4,5 ГГц. Его судьба пока неясна, непонятно, в каких странах будет он востребован и насколько будет развита экосистема, в первую очередь абонентское оборудование.
В гармонизации частотного спектра заинтересованы не только производители и операторы. В этом есть интерес и смысл для всех абонентов сотовых сетей. Логика простая: частотные присвоения гармонизированы, оборудование (и телефоны, и инфраструктура сетей) унифицировано, достигается экономия массового производства – удешевляется оборудование, уменьшается стоимость услуг связи для конечного пользователя.
Мы уже видели грандиозный успех сотовой связи от GSM до LTE, который во многом был предопределен экономическими факторами – приемлемые цены на телефоны и услуги связи. А это производная (первая или вторая) от гармонизации спектра.
Как показали многочисленные исследования, развитие информационных технологий и мобильной связи позитивно влияет на экономику страны. Сейчас это объясняется увеличением прибыли от мобильной̆ коммерции, рекламы, продажи контента, а также от разработки и продажи приложений.
В будущем ожидается кардинальная смена парадигмы сервисов мобильных сетей – переход от потребительского рынка к вертикальным, т. е. поддержка сервисов для индустриальных пользователей: автоматизация производства, управление транспортом, реализация «умного» города. Системы пятого поколения – основа для четвертой индустриальной революции, цифровизации экономики и автоматизации индустриальных процессов, повышения эффективности труда и упрощения доступа к цифровым ресурсам экономики.
Актуальность диапазона 3,5 ГГц и более высоких диапазонов частот будет только повышаться с годами.
Конечно, на расчистку перспективного спектра для систем 5G потребуются значительные инвестиции и займет этот процесс немало времени. Но, не двигаясь в этом направлении, опуская руки перед сложностями управления радиочастотным спектром, можно отбросить назад развитие страны в сторону информационного общества и цифровой экономики.
Хочется верить, что Правительство Российской Федерации взглянет на проблему развития мобильных сетей не только с точки зрения защиты существующих пользователей радиочастотного спектра, в большой степени государственных систем. Может быть, введет процедуры экономического стимулирования использования спектра или отказа от неиспользуемого спектра государственными органами. А также оценит, насколько эффективно используют спектр существующие системы радиосвязи, не требуется ли их модернизация, каков срок службы таких систем и насколько велики инвестиции в модернизацию.
Литература
- Круглый стол «О перспективах создания и развития сетей связи 5G в Российской Федерации», январь 2019. https://www.youtube.com/watch?v=PV6mNDZDZao&t=4486s
- Александра Посыпкина, Анна Балашова. Одна страна — одна сеть. Март 2019.
https://www.rbc.ru/technology_and_media/14/03/2019/5c8a21fe9a7947efcda8ff1e
- Варукина Лидия. Низкий старт для систем мобильной связи пятого поколения. Январь 2018. http://www.mforum.ru/news/article/118728.htm
