Что такое 5G Как работает сотовая связь пятого поколения

Стандарт сотовой связи пятого поколения обещает скорость соединения свыше 100 МБит/с при пиковых значениях до 20 ГБит/с. Время реакции сети будет в пределах 1–10 мс, что открывает путь к системам дистанционного управления, работающим в реальном времени. Машинное зрение и управление беспилотниками может перейти в облака. Пожалуй, главный параметр мобильной связи 5G – число подключений: до миллиона устройств на 1 кв. км. В ближайшие 10 лет к интернету будет подключено свыше 40 млрд приборов.

Количество смартфонов, мобильных гаджетов и прочих средств связи неуклонно растет во всех странах мира. По данным сотовых операторов, количество активных абонентов в мобильных сетях уже перевалило за 5 миллиардов. Поэтому 3G- и 4G сети уже не справляются с той нагрузкой, которая ложится на «их плечи» в крупных мегаполисах. Кроме того, с каждым днем набирает обороты такое явление, как интернет вещей — когда устройствами (холодильниками, телевизорами, пылесосами и прочими бытовыми приборами) дистанционно управляет интернет. Объем передаваемых данных каждый год увеличивается на 15 процентов. Еще одно важное направление, которое должно хвалиться скоростью сигнала радиоволны до миллисекунд, — это беспилотный транспорт. Несколько компаний прорабатывают первые прототипы аэротакси, рои дронов осуществляют сложные полеты по написанным сценариям, а беспилотные автомобили уже ездят, например, их Петербурга в Москву. В каждой из перечисленных областей от четкой беспрерывной связи, в контрой задействованы операторы и аппараты, зависит человеческая безопасность. Решением всех существующих проблем может стать связь 5G.

Что такое 5G простыми словами

Пресловутое 5G — это не что иное, как пятое, на данный момент последнее поколение беспроводных систем связи, которые для передачи данных на большое расстояние используют радиоволны. Передача осуществляется с помощью компактных антенн, установленных на специальных вышках. Сигнал от антенны в виде целенаправленного луча устремлен непосредственно на устройство, в результате чего клиент сотовой сети имеет возможность пользоваться высокоскоростным интернетом. Расстояние передаваемого сигнала зависит от таких факторов, как рельеф местности и высота вышки с установленном на нем оборудованием и может варьироваться от одного до пятисот километров. Каждая антенна охватывает определенную аудиторию пользователей — от десяти до тысячи людей.

Главным отличием 5G сети от ее предшественников (2G, 3G, 4G) является использование других частот, а также способа кодировки сигнала, что позволяет увеличивать скорость передачи данных. Кроме того, в сетях пятого поколения задействованы дециметровые и сантиметровые волны. Их характерная особенность заключается в том, что они отражаются от препятствий, а не огибают их, как метровые. Таким образом 5G позволяет передавать данные с минимальным количеством помех. Еще один очень важный аспект, связанный с интернетом, — это безопасность. 5G предполагает переход с трехсторонней модели доверия на четырех- или даже пятистороннюю. То есть подтверждение перед передачей данных потребуется от оператора, поставщика услуг, местного узла связи и устройства пользователя. Все это значительно усилит безопасность связи. Ну и напоследок в этом параграфе, описывающем разницу между 5G и ее предками — 2G, 3G, 4G, стоит упомянуть то, что антенны по своей конструкции позволят увеличивать или, наоборот, уменьшать площадь сигнала в зависимости от потребностей конкретной области.

Новый диапазон частот

Впервые за 40 лет мобильная связь выходит на новые радиочастоты. Для 5G планируется использовать сразу два диапазона: низкий (410–7125 МГц) и высокий (24–53 ГГц). Верхний интервал (FR2) практически свободен и очень велик: его ширина — ​29 миллиардов герц! Для сравнения: вся нынешняя сотовая связь ютится в пределах 1,8 миллиарда герц. FR2 даст сверхвысокие скорости передачи данных, необходимые для сверхчеткого видео, виртуальной реальности, облачных вычислений. Однако волны столь высокой частоты не способны распространяться на дальние расстояния и плохо проходят сквозь стены зданий и даже деревья. Широкое покрытие на более скромных скоростях обеспечит низкий диапазон (FR1). Он уже довольно плотно заполнен, и в нем не найти широких полос. Но для многочисленных приборов интернета вещей FR1 — ​именно то, что нужно.

Микросоты

Волны диапазона FR2 плохо проходят сквозь препятствия. Поэтому скоростное соединение 5G требует прямой видимости между передающей антенной и пользователем, а значит, базовых станций придется строить много. Чем больше людей подключается к интернету на заданной площади, тем меньше для них оптимальный размер соты. Так называемые фемтосоты (самые маленькие) будут иметь радиус действия в десяток-другой метров и обслуживать от 5 до 30 человек. Минимальная задержка при подключении позволит движущимся пользователям переключаться между небольшими сотами незаметно.

Massive MIMO

Диапазон FR2 использует миллиметровые волны, тогда как длина волны в сетях 4G составляет от 13 до 33 см. Чем меньше этот показатель, тем меньше размер антенны, которая может работать в данном диапазоне. Поэтому если в нынешних антенных комплексах MIMO располагается 4 или 8 антенн, то в оборудовании пятого поколения счет будет идти на тысячи (определение MIMO смотрите в заметке про 4G). Такие антенны смогут не только бороться с помехами, но и обслуживать сотни пользователей одновременно.

Beamforming

Название технологии переводится как «формирование луча». Базовые станции пятого поколения смогут адресно посылать радиосигнал в нужном направлении. Узкие лучи, предназначенные для разных групп пользователей, не мешают друг другу. «Точечный обстрел» данными требует меньше электроэнергии, чем «ковровая бомбардировка». Формировать луч будут, управляя фазами отдельных антенн Massive MIMO. Фазированная антенная решетка — ​это технология, которая применяется в военных радарах уже больше века. Кроме того, антенные комплексы 5G смогут физически поворачиваться с помощью электроприводов.

NOMA

Неортогональный множественный доступ (Non Orthogonal Multiple Access) — ​это развитие технологии OFDMA, которая сильно прибавила скорости сетям четвертого поколения (см. заметку про 4G, стр. 67). NOMA — ​сложный алгоритм, но его суть вкратце можно передать так: пользователи используют одни и те же частотные полосы и даже поднесущие, но делят между собой сигнал по мощности. Один пользователь принимает на свой счет более мощные волны, а другой — ​более слабые.

MEC

Облачные вычисления популярны уже сегодня: вместо того чтобы нагружать процессор мобильного гаджета, проще отправить запрос на обсчет удаленному серверу, а затем получить ответ и отобразить его на экране. Технология приграничных облачных вычислений (так можно вольно перевести Multi-Access Edge Computing) предлагает перенести вычислительные мощности ближе к пользователю — ​на границу между гаджетом и сетью. К примеру, облачный вычислитель может стоять прямо в доме или на предприятии: домашний компьютер заберет себе часть забот у мобильных устройств. Серверы MEC могут располагаться на базовых станциях. И лишь самые сложные задачи будут отправляться в традиционные облака в дата-центрах.

В каких странах уже есть 5G и когда появится в России?

В каких странах уже есть 5G и когда появится в России?

Первые тесты связи прошли в 2018 году в США. В 2019 году стран, использующих в экспериментальном режиме 5G было уже три — к Штатам присоединились Южная Корея и Япония. В 2020 году около десятка европейских стран, а также Великобритания также распустили пятую сеть по своим территориям. После этого к эксперименту присоединился и Китай, где более 40 городов оказались охвачены сетью 5G.

В России зачатки пятой связи появились также в 2019 году в исследовательских центрах, после чего 5G выплеснулось и на улицы — Арбат, Тверскую, в районе ВДНХ и Лужников. Операторы получили частоты в диапазонах 4,8–4,99 ГГц и 24,25–24,65 ГГц. Однако пропускная способность этих каналов оказалось невысокой. Поэтому 5G пока не имеет возможности вытеснить привычные форматы связи в виде 3G и 4G. Однако и операторы не сдаются, предпринимая попытки добиться выделения других диапазонов. По прогнозам мобильных операторов, к 2030 году высокоскоростным мобильным интернетом будут пользоваться треть россиян.