5G: универсальная беспроводная сеть

Возможно, только через несколько лет мы сможем в полной мере оценить последствия, к которым привело возникновение феномена под названием iPhone: появление «яблочных» смартфонов восемь лет назад дало мощный импульс развитию технологий беспроводного соединения мобильных компьютеров. Мобильная индустрия до 2020 года планирует последовательно развивать идею 5G, согласно которой не только смартфоны, но и все остальные электронные устройства будут объединены в беспроводную сеть.

На сегодняшний день обмен данными между мобильными устройствами происходит в сетях LTE. Мы можем воспринимать их как передовую технологию, однако сеть 4G — это всего лишь один из ряда шагов в будущее. Если в случае с 2G (GSM) и 3G (UMTS) телефонные сети и сети передачи данных рассматривались отдельно, в сети 4G обмен данными и телефонные переговоры производятся пересылкой IP-пакетов при помощи технологии передачи голоса по сети LTE (Voice over LTE). Стандарт LTE использует только одну сеть — Интернет. 5G расширяет эту идею на все сетевые устройства.

Не только каждый человек — вся цивилизация постепенно будет объединяться в единую сеть.

Cisco и другие гиганты отрасли прогнозируют увеличение объемов трафика, используемого для передачи данных в мобильных сетях, в десять раз в течение следующих пяти лет. Дело здесь не только в росте популярности смартфонов. По большей части это обусловлено подключением чипов и датчиков различных устройств друг к другу по Интернету, начиная от беспилотных автомобилей и дистанционно управляемого уличного освещения до фитнес-браслетов и умных часов.

Эти перемены уже грянули. А вот относительно того, сколько из этих «машин» в будущем будут обмениваться данными по Интернету, у специалистов нет единого мнения. В прогнозах на 2020 год этот показатель варьируется от 50 до 150 миллиардов.

Проект сети 5G

До сих пор университеты и исследовательские подразделения Ericsson, Nokia, Samsung, Huawei и других производителей оборудования для сетей связи разрабатывали отдельные концепты, тем или иным образом подходящие под определение 5G. В начале этого года под эгидой альянса Next Generation Mobile Network (Мобильные сети следующего поколения) эти изыскания были унифицированы в едином проекте. В NGMN Alliance, помимо производителей, принимают участие также операторы сотовой связи, например, Telekom, Telefonica и Vodafone.

Проект предусматривает разработку единого стандарта для технологии 5G к 2020 году. Масштабы уже определены:

скорость передачи данных должна достигать 10 Гбит/с при времени отклика от одной миллисекунды.

5G сможет объединить в единую гибкую сеть сотни тысяч абонентов на один квадратный километр — от владельца смартфона, просматривающего фильм в разрешении HD, до энергосберегающих датчиков, передающих всего несколько бит. Для этого устройства должны использоваться различные технологии беспроводного соединения. Так, смартфон сможет плавно переключаться с Bluetooth на мобильную сеть, а затем на WLAN, причем без участия в этом процессе владельца.

Идея перспективная, но до сих пор открытой остается еще масса вопросов, среди которых один принципиальный: на каких частотах будет работать сеть 5G? На низких частотах нынче тесно.

Лидер по производству чипов для мобильных устройств Qualcomm одним из первых начал вести работы над проектом под названием LTE-U, то есть нелицензируемым LTE (U — unlicensed), которым предполагается использование частот в диапазоне 5 ГГц.

Кроме каналов, выделенных военным, часть спектра в районе 5 ГГц не подлежит регулированию и поэтому не требует получения международного разрешения. Лидер рынка Ericsson планирует в 2015 году построить первые базовые станции LTE-U несмотря на то, что современный WLAN тоже работает на частоте 5 ГГц — только так новый стандарт 802.11ac достигает достаточной для передачи данных на высоких скоростях пропускной способности.

В итоге сетям 5G должны быть выделены частоты в диапазоне свыше 5 ГГц, поскольку только на них можно будет передавать данные на гигабитных скоростях. Однако чем выше частота, тем труднее сигналу добраться до клиентского устройства без искажений. Например, в случае с технологией LTE, которая задействует частоту 800 МГц, радиоантенная мачта может находиться за пару километров. А для частот свыше 5 ГГц максимальное расстояние от антенны до клиентского устройства едва ли сможет превысить сотни метров.

Между тем Nokia уже проводит эксперименты по передаче данных на частотах свыше 70 ГГц. А технология, использующая подобным образом высокие частоты, уже существует и регламентируется стандартом IEEE 802.11ad. Им предусматривается передача информации со скоростью в несколько гигабит в секунду, правда, на расстоянии до десяти метров, поскольку задействуется диапазон 60 ГГц. Кроме того, сигнал не способен проникать сквозь стены и крыши зданий.

Для 5G все это означает, что

передающих станций должно стать больше, а сами они — меньше и располагаться ближе к абонентам.

Архитектура представлена малыми сотами (small cells), которые уже давно используются в обычной передающей технике для локального усиления сигнала. По форме и размерам эти базовые станции немного напоминают устройство, которое Ericsson использовала для демонстрации 5G на MWC.

Передача данных на высоких частотах

С технической точки зрения, у использования высоких частот есть преимущество: чем выше частота, тем короче длина волны сигнала, а вместе с тем меньше оптимальный размер приемной антенны. То есть, например, для передачи на частоте 28 ГГц нужна антенна длиной всего 0,5 см. Однако сигнал на частоте 28 ГГц редко передается без искажений. Он настолько смещается, отражается и заглушается, что для чистого приема одной-единственной антенны становится мало.

Выход есть — называется он MIMO. Обычная технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) уже сейчас применяется для оптимизации приема LTE и WLAN, но часто параллельно отправляется и принимается всего 2-4 сигнала. Технология Massive MIMO, использующая высокие частоты, позволяет размещать десятки маленьких антенн в мобильных устройствах и сотни — в передающей станции. Первые прототипы Huawei и, например, Лундского университета (см. блок справа) показывают, что отрасли предстоит еще немалая работа над миниатюризацией технологии. Другие идеи уже воплощены в жизнь, например, направленная радиосвязь на группах крохотных антенн, которые выравниваются в зависимости от угла падения сигнала.

Использование высоких частот в сочетании с мелкосотовой архитектурой соответствуют требованиям сервисов будущего, которые зависят не столько от высоких скоростей передачи данных, сколько от стабильности соединения и времени отклика. В качестве примера можно привести беспилотный автомобиль на автостраде: управляемые компьютерами участники движения обмениваются данными друг с другом при помощи малых сот, расположенных по обочине.

Такой принцип «прямого общения» между устройствами (device-2-device, D2D) в настоящее время реализуется в новой версии стандарта LTE. Обмен данными на высоких скоростях в режиме реального времени и минимальное время отклика необходимы для работы тактильного Интернета — главного объекта исследования лаборатории 5G Дрезденского технического университета. Здесь изучается дистанционное управление устройствами — от роботов для спасательных работ до дистанционной операции, проводимой врачом скорой помощи, в сочетании с очками виртуальной реальности, например, Oculus Rift.

Фото: Vodafone Deutschland (Aufm.); Ericsson (2); Lund University (MIMO); Audi AG (Auto); David Öhmann/5G Lab Germany (taktiles Internet); Wikipedia/Srleffler/CC BY-SA 3.0 (Kabel o.); CREOL/UCF (Kabel u.)