Что такое 5G: достоинства, недостатки и принцип работы

5G – это сокращенная маркировка 5-го поколения сотовой связи, которое станет заменой для 3G и 4G LTE. Стандарт находится на стадии активных разработок, а завершение циклов тестирования и регистрация на международном уровне произойдут ближе к концу 2020 г.

Описание технологии 5G

Мобильные сети 5-джи представляют собой инновационную технологию сотовой связи, которая обладает следующими особенностями:

1. Рекордной скоростью передачи данных.
2. Минимальным процентом задержек сигнала.
3. Возможностью одновременного подсоединения большого количества устройств.
4. Возросшими пропускными способностями.
5. Новым уровнем мобильности.

Новая сеть обладает масштабной виртуализацией, поэтому она построена как на базе физической инфраструктуры, так и на основе программных решений.

Частотные диапазоны и обустройство станций будут адаптированы под широкие группы потребителей – от владельцев смартфонов и мобильных устройств до крупных предприятий.

Предыдущие генерации мобильной связи выделялись физическими свойствами и скоростью. Технологии 5G предлагают новую платформу, которая приведет к стремительному развитию многих отраслей. Массовое внедрение стандартов позволит запустить инновационные сервисы, бизнес-проекты и производственные цепочки.

Стандарты скоростной сети

Установленные стандарты сетей отсутствуют. Но по предварительным слухам, технология будет работать на базе 5G NR (New Radio) – продукта компании 3GPP, которая занималась разработкой 3G и 4G. Данный стандарт построен на основе 2 частот:

1. FR1 – поддерживает диапазон ниже 6 ГГц.
2. FR2 – выше 24 ГГц.

Архитектура сети сможет поддерживать движущиеся и стационарные приемники и будет работать по 3 сценариям:

1. eMBB (enhanced Mobile Broaband) – указывает на привычный для среднестатистических пользователей беспроводной интернет.
2. URLLC – предлагает увеличенные пропускные показатели и может использоваться в отрасли дистанционной хирургии или управления автономными средствами передвижения.
3. mMTC – используется для счетчиков и мониторингового оборудования.

На ранних стадиях технология 5G будет сфокусирована на внедрении eMBB.

Сегменты развития

С 2018 г. ведущие провайдеры и поставщики сетевого оборудования проводят глобальное тестирование нового поколения мобильной связи. Например, концепция 5G Test была реализована в рамках Олимпийских игр в Южной Корее. Все крупные операторы Российской Федерации выполнили собственные испытания технологии вместе с компанией Samsung.

Первый 5G-сервис был запущен в конце 2018 г в Южной Корее. Внедрение стандартов в коммерческих масштабах ожидается к концу 2020 г. Изначально будет предлагаться диапазон FR1 в качестве надстройки для существующих сетей 4G LTE. В густонаселенных городах России сеть должна появиться к концу года.

Ключевые отличия

Некоторые пользователи интернета считают, что разница между 5G и 4G заключается только в повышенной скорости передачи и прима данных. Однако новый стандарт является мощным технологическим скачком, у которого есть многочисленные обновления и расширенные возможности. Технология представляет собой не только комплекс новых частот, но и функциональную платформу для эффективного использования беспроводных сетей.

5-е поколение сетей выделяется снижением задержки до 10 раз в сравнении с LTE. Не исключено, что показатель будет опущен до минимального уровня в 1 мс. При этом сеть сохраняет обратную совместимость со старым оборудованием, поэтому переход на новые стандарты будет практически безболезненным.

Финальная особенность технологии – увеличенная в несколько раз скорость, которая достигает 20 Гбит/с.

Архитектура сети

Основной принцип 5G – минимизация аппаратных решений. Поэтому новая генерация часто называется не сетью, а программной платформой.

Если стандарты 1/2/3/4G основывались на физическом уровне и требовали установки различного оборудования, то система 5-го поколения построена на базе программных решений, включая сети SDN и виртуализацию NFV.

Функции сети обрабатываются виртуальными сервисами через NFV. Сама архитектура NFV реализуется с применением физического оборудования (дата-центров на основе коммерческой инфраструктуры COTS). В пакет аппаратной поддержки COTS входит 3 типа устройств:

1. Сервер.
2. Коммутатор.
3. Устройство хранения.

Для адаптации некоторых функций могут применяться программные контейнеры и архитектура микросервисов.

Какое количество соединений должна выдерживать

При разработке сетей 5-го поколения особый акцент ставился на возможность одновременного подключения большого количества устройств. Фактическая скорость передачи данных достигнет 1-2 Гбит/с, а число подключаемых аппаратов – до 1 млн на 1 кв. км. Действующий сегодня стандарт LTE разрешает подсоединять не больше 2 тыс. устройств на идентичной площади.

Как работает

Принцип действия новых мобильных сетей обусловлен их техническими характеристиками и переходом на более высокий диапазон частот, который не использовался раньше. Для сравнения: в спецификации беспроводного интерфейса Wi-Fi указывается частота 2,4 или 5 ГГц, а LTE-стандарта – 2,6 ГГц. В случае с новой платформой ожидается появление 10-20 ГГц. За счет увеличения частоты длина волны сокращается, а пропускная способность возрастает в несколько раз. Применение такого решения снижает нагрузки на телекоммуникации.

Архитектура 5G построена на более коротких, миллиметровых частотах, которые не способны проходить сквозь толстые препятствия. Поэтому вместо мощных базовых станций, способных передавать сигнал на большие расстояния, протокол будет задействовать компактные вышки, расставленные повсюду.

С целью снижения потребления электрической энергии и увеличения радиуса действия разработчики интегрируют технологию динамического формирования радиоволн для отдельного потребителя. Это делается по следующему алгоритму: станция фиксирует, откуда и когда был отправлен сигнал, а затем высчитывает координаты пользователя для построения оптимальной траектории связи.

Преимущества и недостатки внедрения 5G

Внедрение платформы 5G откроет для мобильных операторов большие возможности, которые связаны с расширением функционала и повышением качества услуг. К основным практическим преимуществам сети относят:

1. Высокую пиковую скорость. Новый стандарт на 20 раз превосходит по скорости 4G и может генерировать до 20 Гбит/с. Среднестатистический показатель скорости на 1 потребителя будет достигать 100 Мбит/с или больше.
2. Эффективное применение частоты. Эта особенность позволяет повысить число данных, которое можно отправить на 1 спектр, примерно в 3 раза.
3. Мобильность. Сеть формирует стабильный сигнал по периметру покрытия, даже если пользователь будет находиться в поезде, развивающем скорость в 500 км/ч. Показатель задержки в 5G стандарте опускается до 1 мс или ниже. Для сравнения: в LTE он составляет минимум 10 мс. Подобные решения позволят внедрять технологию для критично важной инфраструктуры, тактильного интернета, AR/VR и других инновационных сфер применения.
4. Энергоэффективность. По этой особенности стандарт превосходит сети предыдущего поколения. При этом емкость трафика на единицу площади в 2 раза выше, чем в LTE.
5. Плотность покрытия. К 1 терминалу 5G можно подключить свыше 1 млн устройств на 1 кв. км.

Но, кроме плюсов, у технологии есть и важные недостатки. В их числе:

1. Стремительный рост количества и масштабов DDos атак, причем и на саму полосу пропускания.
2. Необходимость внедрения IPv6, что ставит под угрозу пользовательскую конфиденциальность.
3. Слабая защищенность пользовательской информации.

Для минимизации негативных факторов мобильным операторам придется организовать прогрессивную сегментацию и реализацию NFV- и SDN-технологий.

Необходимость для современного мира

Сферы применения 5G-сетей достаточно обширны. Они могут использоваться как для потребительского рынка, так и для предприятий, городской инфраструктуры и других отраслей человеческой деятельности.

Не исключено, что 5-джи составит конкуренцию для оптоволоконного проводного интернета, и в будущем вместо прокладки кабелей в квартиру пользователь сможет установить мощный ретранслятор, чтобы передавать сигнал от базовой станции по Wi-Fi. Средняя стоимость 5G-маршрутизатора составляет $700-900 и обеспечивает пропускные способности в 2-3 Гбит/с.

Сеть будет востребована в местах массового скопления людей: на стадионах, городских площадях, в театрах и выставочных центрах.

Особо интересно выглядит кейс с транспортными средствами. Он позволит интегрировать связь по 5G-каналу в скоростных поездах для повышения комфорта пассажиров. Согласно научным исследованиям, для обеспечения бесперебойного доступа к интернету достаточно оснастить железнодорожную магистраль точками доступа через каждые 800 м.

Новая генерация мобильных сетей станет востребованной для промышленности – можно будет контролировать передвижение роботов.

Для разработчиков стандарт 5G открывает такие возможности:

1. Инвестиции. Ведущие концерны предлагают большие призовые фонды за усердную модернизацию стандартов.
2. Open Source. Ожидается, что этот протокол станет ключевым в инфраструктуре. Это расширит сферы применения стандарта и позволит интегрировать поддержку модемов, гетерогенных сетей и интернет-вещей.
3. Трудоустройство. Кроме глобальных мобильных операторов, существуют коммерческие компании, которые готовы запустить сети в ближайшее время.

Насколько безопасна сеть

Как и другие новые технологии, у 5G есть несколько недостатков, которые связаны с безопасностью. К основным угрозам относятся такие пункты:

1. Кибератаки. Для защиты девайсов от кражи конфиденциальных данных придется позаботиться о высокой безопасности.
2. Пересечение частот. Многие частотные диапазоны заняты военными службами, космическими ведомствами и прочими учреждениями.
3. Вред здоровью. В результате исследований ученые определили, что стандарт оказывает негативное воздействие на живые организмы. Руководствуясь полученными сведениями, здравоохранительные организации планируют опубликовать список нормативов для безопасной эксплуатации сетей нового поколения.

Придется ли менять технику

Поскольку 5G – новый стандарт, для работы с ним пользователям придется поменять технику. Некоторые новинки смартфонов могут принимать сигнал сотовой связи 5G, но масштабная интеграция поддержки ожидается только через несколько лет. Также мобильным операторам потребуется полностью обновить оборудование.

Мировой вклад

Вклад 5-й генерации сетей в мировую экономику оценивается в 2 трлн долл. Это подтверждается следующими цифрами:

1. Число подключений к новому стандарту к 2025 г. составит 1,4 млрд, что равно 15% от общего количества пользователей.
2. LTE-сети будут активно развиваться и получат до 60% охвата на мировом рынке.
3. Количество iOT-подключений увеличится до 25 млрд к 2025 г. Доходы интернет-вещей превысят отметку в 1,1 трлн долл.

Перечисленные плюсы инфраструктуры 5G делают ее востребованной и необходимой для современного общества.