5G по-русски Как разработчики Сколтеха разворачивают рынок связи к философии Open Source

В правом верхнем углу экрана появился значок 5G. Выглядит как-то буднично: там, где на смартфоне всегда светится надпись 4G, четверка просто сменилась на пятерку. Запускаем тест скорости и получаем на экране число чуть больше 350 Мбит/с. Беспроводное подключение работает, как домашнее оптоволокно, поэтому результат впечатляет. Но разработчики стеснительно улыбаются: их тестовые компьютеры разгоняются до 1,5 Гбит/с — ​эта цифра уже интереснее. Хотя и она далека от максимальных 20 Гбит/с, обещанных для сетей пятого поколения.

Один из специалистов запускает тест на своем 4G-телефоне для сравнения. И «выбивает» 160 Мбит/с — ​раз в пять быстрее, чем в любом районе Москвы с хорошим покрытием! Это уже магия Сколково: здесь даже «обычный» интернет не совсем обычный. Скоростью сколтеховцев не удивишь. Цель их разработок — ​сделать связь доступнее сразу во многих смыслах.

Виталий Шуб, руководитель Лидирующего исследовательского центра на базе Сколтеха по технологиям 5G. Кандидат физико-математических наук. Занимал руководящие должности в компаниях AT&T, Motorola, DellSystems, L. M. Ericsson, АФК «Система», «ТрансТелеКом», IPG Photonics Russia и их подразделениях:

В 2014–2015 годах в России возник „идеальный шторм“. Сразу несколько независимых факторов постепенно подталкивали отрасль к пониманию, что в стране необходимо разрабатывать собственное оборудование для радиосвязи. С одной стороны, возник санкционный риск: ведущие производители предупредили операторов, что могут прекратить поставки в Россию. С другой — ​вдвое подешевел рубль, и бизнес операторов резко ухудшился: ведь технику приходилось покупать за иностранную валюту, а абоненты платят в рублях. Сколковский институт науки и технологий получил грант на создание лидирующего исследовательского центра (ЛИЦ) в области 5G. Наша миссия — ​к концу 2022 года создать предсерийные образцы оборудования с открытой архитектурой и исходным кодом. Почему с открытым? До недавнего времени сети сотовой связи строились на проприетарных интерфейсах, протоколах и кодах. Операторы были вынуждены заключать долгосрочный контракт с одним поставщиком, который предоставлял комплексное сетевое решение под ключ. Менять какие-то элементы сети на продукцию других марок было нельзя. Таких производителей можно пересчитать по пальцам одной руки: Nokia, Ericsson, Huawei, ZTE, Samsung. И они диктуют цены рынку. Справедливости ради: свои сверхприбыли ведущие производители вкладывали в исследования в течение десятков лет. Именно благодаря им в сотовой связи задействованы самые передовые знания. Хотя платить за это всегда приходилось абонентам. Идея создать открытый рынок совместимых друг с другом устройств и программ принадлежит не нам. В международный проект OpenRAN (расшифровывается как „открытые сети радиодоступа“) входят десятки крупных компаний, таких как Intel и Vodafone. Их цель — ​прекратить ценовой диктат „большой пятерки“ и создать на рынке условия для конкуренции. К ним присоединились и мы, Сколтех

Суровая математика

Круглое в плане здание Сколтеха на спутниковых снимках напоминает Пентагон. Бесконечно длинные коридоры просторны и наполнены светом, но заблудиться в них — ​проще простого. На пути в ЛИЦ 5G встречаются кабинеты с электронным и химическим оборудованием, производственные цеха с оснащением для 3D-печати и быстрого прототипирования.

Приближаясь к лаборатории ЛИЦ, проходим огромный опенспейс. Навскидку здесь больше ста рабочих мест: в современной технике большая часть разработки ведется на компьютере, а от программного обеспечения результат зависит едва ли не больше, чем от железа.

Виталий Шуб, руководитель ЛИЦ 5G:

Телекоммуникационные технологии стали настолько сложны, что в общественном сознании уже напоминают магию. Не понимая основ, люди верят мифам: про то, что птицы на лету жарятся или кислород в воздухе выжигается. Или скорость передачи данных (битрейт) зависит от частоты, что тоже в корне неверно: все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью. Есть простая формула: битрейт — это ширина несущей полосы, помноженная на спектральную эффективность. Первый параметр определяет, в каких пределах мы можем изменять (модулировать) частоту волны, закладывая в нее информацию. Например, между 2570 и 2600 МГц можно выделить канал шириной 30 МГц. Спектральная эффективность определяет, сколько информации мы способны передать по полосе заданной ширины в единицу времени. Это сложный математический аппарат, улучшением которого у нас занимаются десятки специалистов во главе с тремя профессорами. Но проблема в том, что этот параметр за прошедшие годы практически „вышел на полку“. К примеру, технология OFDMA уходит корнями в 1990-е годы. Мы до сих пор опираемся на математический аппарат тридцатилетней давности. Сейчас спектральная эффективность составляет порядка 30–50 бит в секунду на герц. Есть фундаментальные теоремы, которые указывают на то, что данный показатель вряд ли вырастет. Именно поэтому в пятом поколении почти единственным способом повысить скорость стало увеличение ширины несущей полосы. И это заставило сотовую связь выдавливаться в миллиметровый диапазон, хотя там все гораздо хуже: и проникновение, и эффективность базовых станций. Зато эти частоты свободны и позволяют выделять полосы шириной и в 100, и в 200, и в 400 МГц. К тому же антенны для миллиметровых волн меньше по размеру, поэтому антенные комплексы пятого поколения можно делать конструктивно сложнее

Воздушный дирижер

Антенное оборудование — ​первое, что бросается в глаза при входе в лабораторию ЛИЦ 5G. Ребристые металлические коробочки — ​самые обыкновенные, хотя непривычно видеть их так близко. На рынке телекоммуникационного оборудования экзотический дизайн не приветствуется. Антенны и радиомодули (в них скрывается электроника, которая преобразует цифровые данные в радиосигнал) должны выдерживать ветровую нагрузку и не перегружать несущие конструкции, будь то вышки или стены зданий. И все же оборудование пятого поколения на улице сможет узнать даже непрофессионал: операторы с гордостью украшают его огромными надписями: 5G.

На столах рядом с антеннами — ​обычные измерительные инструменты: осциллографы, тестеры. Самое важное, что есть в лаборатории, — ​стойка с серверами, на которых гоняется передовой софт. А самое зрелищное — ​демонстрационный стенд промышленного интернета вещей. Взгляд цепляется за параллельные полоски со светодиодами, загорающимися точно в такт друг другу.

Виталий Шуб, руководитель ЛИЦ 5G:

Представьте себе завод, на котором пара промышленных роботов должна поднять кузов автомобиля, взяв его с разных сторон. От малейшей рассогласованности их действий кузов накренится и упадет. Светодиоды на стенде относятся к двум отдельным, но точно синхронизированным сетям (считайте, к двум разным роботам). Как видите, полоски „движутся“ абсолютно синхронно. На стенде мы демонстрируем проводные сети, соединенные по стандарту Time Sync Network (сеть с синхронизацией по времени). Однако то же самое можно будет делать и без проводов в сетях пятого поколения, причем в масштабах всего производства. Для этого в 5G есть уникальный параметр: нормирование задержки на уровне 1–10 мс. В нашей пилотной сети мы собираемся демонстрировать самые разные индустриальные кейсы: автоматизацию производства, роботизацию, контроль с помощью виртуальной и дополненной реальности. Не только промышленные объекты, но и офисы и даже жилые дома смогут установить собственное оборудование 5G. Это еще одно феноменальное новшество пятого поколения. Если раньше пользователь строил собственную сеть вокруг Wi-Fi-роутера и подключал ее к интернету через оператора, то теперь частные заказчики получили возможность устанавливать оборудование операторского класса. Государственная комиссия по радиочастотам выделила для таких сетей специальный диапазон шириной 400 МГц (от 24,25 до 24,65 ГГц). Любой из нас может подать заявку в госорган и построить собственную сеть 5G

Не мечты, но планы

В проекте ЛИЦ 5G участвуют и партнеры. Это производитель коммуникационного оборудования «Элтекс» (Новосибирск), конструкторское бюро «Радио Гигабит» (Нижний Новгород) и Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). Особенность партнерства в том, что оно юридически обязывающее. Сроки выполнения четко закреплены контрактом. А значит, предсерийный образец российской радиоподсистемы пятого поколения будет представлен не позднее конца 2022 года. Ждать осталось недолго.