5G: Новая парадигма телекоммуникаций

Опубликовано: http://www.connect-wit.ru/budushhee-5g.html 

В чем отличие 5G от 4/3G

5G – это не новый стандарт связи или технологическая эволюция мобильных сетей, а скорее новая парадигма услуг телекоммуникаций и информационных технологий. Сеть 5G будет представлять собой плотно распределенную матрицу (Fabric) функций вычисления, хранения и сети. Точно также, как в компьютере операционная система (OS) управляет его работой и предоставляет сервисы для приложений, 5G будет иметь глобальную операционную систему (GOS), способную управлять конвергированной инфраструктурой мобильной и фиксированной сети. Если обратиться к истории, то именно введение ОС в компьютерах дало старт широкому распространению программ и приложений, поскольку ОС предоставляет высокоуровневое абстрагирование для аппаратных ресурсов компьютера, таким как процессор, память, система хранения, коммуникационные интерфейсы, а также информации – файлов и директорий. До введения ОС было весьма трудно разрабатывать алгоритмы, писать и отлаживать коды программ, поскольку приходилось учитывать массу технических особенностей оборудования.

Аналогично, концепция GOS состоит в определения «сервисов» для унифицированной абстракции всех физических ресурсов сети 5G, таких как базовые станции и серверы для обработки, хранения и передачи информации по сети сквозь элементы инфраструктуры (даты-центры, сети агрегации и доступа, терминалы и fog-системы) и сквозь различные уровни облачных услуг, таких как IaaS, PaaS, SaaS.

Другая особенность GOS — автоматизация операций для сокращения ручного вмешательства в текущую работу инфраструктуры. Как видим, инфраструктура 5G имеет много общего c концепцией виртуализации сетевых функций NFV, таким образом, развёртывание 5G предполагает повсеместную виртуализацию сети на базе SDN/NFV.

В конечном счёте, 5G сократит «размерность» пространства-времени для общества и экономики, за счёт гораздо более быстрого доступа к услугам, расширенной в несколько раз полосе пропускания и снижением задержки передачи по сети до 1 миллисекунды, т.е. практически незаметной для органов чувств человека. Предоставление услуг в сети 5G будет походить на установку и исполнение приложений в операционной системе компьютера.

По данным сайта OpenSignal, средняя задержка сетей 3G американских операторов AT&T, T-Mobile, Sprint и Verizon составляет сейчас 125 мс, а задержка их сетей 4G – 80 мс. Поэтому, достижение задержки 1 мс в сети 5G является радикальной переменой. Однако, скорость света вносит теоретический предел, который нельзя превзойти, и если пакету данных нужно преодолеть по сети расстояние в 1000 км, то задержка составит 6,7 мс, а если в 20 тыс. км – 133 мс. Однако, если посмотреть на текущие значения и теоретические пределы, то для сетей 5G еще есть простор для совершенствования.

Французский оператор Orange и шведский вендор Ericsson достигли пиковой скорости более 10 Гбит/с на пилотных испытаниях участка сети 5G во Франции. На сегодня это самая высокая достигнутая скорость в сети 5G.

Отсюда открывается прямой путь к реализации концепции предоставления услуг «все как услуга» XaaS: т.е., при все более и более широкой номенклатуре типов терминальных устройств 5G. Это будут прежде всего разнообразные устройства «Интернета Вещей» — интеллектуальные устройства, роботы и «умные вещи». Услуги 5G могут значительно повысить производительность труда, обеспечивая децентрализованное «микро-производство» (вещи будем искать не в магазине, а заказывать их в ближайшей «мастерской 3D-печати», хотя, скорее всего, это уже будет назваться по-другому), эффективное взаимодействие личности и общественных/государственных организаций. В общем, 5G постепенно будет создавать «умную среду» обитания человека.

Radar

Рис. 1. Сравнение характеристик существующих сетей 4G и будущей сети 5G. (источник: 5G Vision White Paper, DMC R&D Center, Samsung Electronics Co., Ltd.)

«Новое радио»: от NB-IoT до EMB (Enhanced Mobile Broadband)

Стандарт «нового радио» New Radio (NR), разработанный 3GPP для сетей 5G в 2016 году, закладывает основы для мобильных сетей нового поколения. Если сети 2G/3G/4G соединяют, в основном, людей, то сеть 5G будет соединять всё. Другими словами, коннективность 5G NR будет присутствовать не только в смартфонах, но и в автомобилях, коммунальных счётчиках, носимых устройствах и во многих других «умных» вещах. Цель 5G NR состоит в том, чтобы полностью обеспечить любой тип устройств подключением к сети 5G, оптимизированным под данное устройство, а также всегда доступными и безопасными облачными услугами.

Однако, 5G NR означает не только мультиплекс из множества услуг, но также и новые технологии беспроводной связи, поднимающие мобильные сети на новые высоты: MIMO, адаптивное формирование луча и отслеживание луча (beam-tracking). Новые технологии узкополосного IoT (NB-IoT) дают возможность батареям в недорогих и малоразмерных устройствах «Интернета Вещей» работать до 10 лет без подзарядки. Кроме того, они могут обеспечить более глубокое покрытие сети внутри зданий и во многих удалённых местах.

Услуги 5G

Среднегодовой темп роста трафик мобильных данных во мобильных сетях составляет 23%. За период с 2015 по 2020 годы прогнозируется его десятикратный рост, но наверняка этот показатель будут намного превышен, прежде всего, за счет роста потребности в высококачественных видео-услугах, 4K/8K… , UHD (Ultra-High-Definition) виртуальной реальности VR (Virtual Reality), дополненной реальности AR (Augmented Reality), и таких, о появлении которых мы сегодня еще не подозреваем.

  • Интернет вещей IoT (Internet of Things)

Сеть 5G позволяет устройствам с чипом IoT быть подключёнными вне зависимости от времени и места и позволяет им коммуницировать между собой без участия человека. Сеть 5G способна поддерживать до миллиона одновременных подключений на 1 кв. км. Именно поэтому сеть 5G называют не «network», а «fabric» — ткань. По аналогии с устоявшемся за многие годы термином “cloud computing”, введён новый термин “Fog computing” (туманные вычисления), имеется в виду, что если в облачных вычислениях дата-центры находятся «высоко» в архитектуре сети, то «fog» (туман) лежит гораздо «ниже» — более распределённо. То есть, имеется в виду именно распределённость узлов 5G и вычислительных операций для них.

Cloud Fog.jpg

Рис. 2. Сравнение Cloud и Fog.

Услуги межмашинных (M2M) подключений могут включать считывание данных с коммунальных счетчиков через мобильную сеть, мобильные платежи, интеллектуальные сети распределения электроэнергии (Smart Grid), интеллектуальный транспорт, телемедицину и системы электронного здравоохранения. Все это должно кардинально поменять повседневную жизнь людей, однако, не раньше, чем будут выполнены три условия: зрелость технологий доступа 5G, разработка стандартов и покрытие сети с плотностью до миллионов устройств на квадратный километр.

  • Умный дом (Smart Home)

Например, «умные» посудомоечные машины могут сами настраиваться на оптимальный режим работы, обмениваясь информацией с такими же моделями по соседству. «Умный» холодильник сможет порекомендовать хозяйке рецепт блюда из тех продуктов, которые у него внутри. Различных сценариев здесь может быть великое множество, по мере того, как будут появляться новые «умные вещи».

  • Здравоохранение и «фитнесс» (Healthcare&Fitness)

Носимые устройства с датчиками, или имплантированные в кожу пациента датчики, могут быстро сообщить лечащему врачу об аномалиях в организме пациента. Аналитические системы с использованием Big Data даже без участия врача смогут проанализировать ситуацию и выдать немедленную рекомендацию о действиях: назначение лекарств, прохождение физиотерапии, или желательной консультации у врача. Все это поможет распознать ранние признаки многих тяжелых недугов: сердечной недостаточности, инфарктов, инсультов и пр.

Health

Рис. 3. Примерный вид имплантированного датчика IoT для электронного здравоохранения и фитнеса.

У людей, занимающихся спортом, такие устройства могут также осуществлять полноценный контроль физических параметров, чтобы избежать перегрузок, или порекомендовать следующее упражнение, его интенсивность и продолжительность.

5G service.jpg

Рис. 4. Некоторые из услуг 5G (изображение: Samsung)

В 2013 году по данным ABI Research было продано 32 млн. устройств, относящихся к категории Healthcare&Fitness.

  • Тактильный Интернет (Tactile Internet)

5G способна обеспечить новое качество услуг, которое называют «тактильный Интернет» (Tactile Internet). Он способен передавать не только информацию, но и ощущения: прикосновение, перемещение, действие. Например, с его помощью можно учить рисовать, играть на музыкальных инструментах, делать удалённые хирургические операции т.е., всё, что требует навыков «мелкой моторики». Уже созданы «тактильные кодеки», по аналогии со звуковыми и видео-кодеками.

Здесь возникает одна проблема: нужно передавать не только действие, но и противодействие предмета, на который действие направлено, причем очень быстро, в пределах тысячных долей секунды. И именно сеть 5G с её невероятным, по сравнению с сегодняшними сетями, все ещё имеющими заметную задержку, быстродействием способна обеспечить такую мгновенную реакцию, однако, лишь в довольно ограниченных пространственных пределах. Даже свет, самое быстрое, что есть в природе, способен за 1 мс преодолеть лишь 50 км. Как же, например, квалифицированный хирург из Санкт-Петербурга будет делать удалённую операцию для пациента в Анадыре? Задержка сигнала в этом случае может составить несколько десятков и даже сотен миллисекунд. Ведь сложная операция требует мгновенной реакции хирурга на малейшие изменения в оперируемом органе человеческого тела! И если задержка составит ощутимую величину (например, человеческий слух распознает задержку более 50 мс), последствия могут быть необратимыми. Однако, был найден выход и из этого тупика. Дело в том, что все наши действия, движения весьма и весьма похожи, и склонны к многократному повторению, что объясняется ограничениями анатомии тела человека. Поэтому, можно создать программно-аппаратные «предсказательные движки» (Predictive engine), которые по начальному положению руки и едва начавшемуся движению вычисляют, каким будет дальнейшее движение, и примерно в какой точке оно завершится. Кроме того, можно передавать не все пространственные координаты руки или инструмента, а только лишь их изменения. Все это значительно повышает быстроту передачи действия и реакции.

Здесь мы видим, зачем нужна плотно распределённая сетевая ткань (fаbric) в 5G, которая обеспечивает не только сетевые, но и вычислительные ресурсы по всему пространству сети. Ведь, если predictive engine на стороне исполнения будет находиться не в Анадыре, а скажем, лишь в Новосибирске, то пользы от такого движка в этом применении будет мало.

Tactile Internet

Рис. 5. Примерная архитектура Тактильного Интернета (источник: https://arxiv.org/pdf/1510.02826.pdf)
  • Самоуправляемый транспорт (Self Driving Vehicles)

Самоуправляемые автомобили (self-driving car), и другой транспорт – ещё одно приложение для 5G. Такие автомобили уже существуют, например, уже довольно известная модель Tesla, созданная одной из компаний Илона Маска – Tesla Motors. Однако, пока этот автомобиль работает довольно автономно и не обладает функциями «тактильного Интернета». В сети 5G такие машины будут активно обмениваться информацией с облаком данных, в котором будет постоянно находиться и в реальном времени обновляться информация о дорожной ситуации, об окружающих объектах, и о климатических условиях на пути следования. Такой подход поможет избежать трагических ситуаций, в которые сейчас иногда попадают автомобили Tesla, например, был случай, когда бортовой компьютер принял разворачивающийся поперек дороги грузовик за рекламный плакат над дорогой, что привело к тяжелой аварии. Если бы автомобиль вовремя получил информацию об изменившейся дорожной ситуации через облако 5G, этой аварии удалось бы избежать.

Уже создан прототип автомобиля для сети 5G, в котором даже нет руля. По сути, это настоящий дом-офис на колесах, в котором есть все, что надо комфортного времяпровождения и продуктивной работы. Человеку больше не надо тратить свое драгоценное время на тяжелую работу водителя, разъезжая по своим делам, и он может употребить это время с пользой для себя и своей работы.

Car.jpg

Рис. 6. Самоуправляемый автомобиль 5G (источник: https://www.youtube.com/watch?v=rQe6420zeSE).
  • Высококачественное видео 4К/8К и UHD, дополненная и виртуальная реальность (AR/VR)

В среде 5G пользователи смогут получить максимально приближенное к реальности видео в любом месте и на любом устройстве. Они смогут даже ощущать себя как часть происходящего. Однако, чтобы этого достичь, нужно решить еще много технических задач. Следом за уже реализованными видеосистемами 4К/8К¸ на подходе стандарт ультра-высокого разрешения UHD (Ultra High-Definition), полномасштабное развёртывание которого ожидается к 2020 году.

Другие примеры «иммерсивных» (т.е. приближенных к реальности – immersive services) видео-услуг, которые породят фундаментальные изменения в индустрии развлечений, это «виртуальная реальность» VR (Virtual Reality) и «дополненная реальность» AR (Augmented Reality). Первую ласточку AR мы уже видели на примере ставшей необычайно популярной игры Pokemon-Go, вызвавшей неоднозначную реакцию в некоторых странах. Однако, по сравнению с будущими приложениями AR, эта игра, наверное, потом будет выглядеть как древняя компьютерная игра PACMAN на алфавитно-цифровом дисплее (если кто-то помнит, что это за игра, и что это за дисплей).

Наибольшую пользу от услуг AR можно получить при навигации и вождения машины. На рис. 7 показан пример «дополненной реальности» AR в автомобиле.

AR Car.jpg

Рис. 7. AR в автомобиле (изображение: Samsung).

Виртуальная реальность VR представляет собой искусственный мир, в котором физический мир представлен компьютерной графикой, и пользователь может активно взаимодействоать с симулированными элементами. Например, это может быть интерактивная трансляция спортивных матчей, когда две установленных на стадионе камеры UHD позволяют VR-зрителю поворачивать голову туда-сюда и видеть происходящее по сторонам и в трехмерном изображении, как будто он и в самом деле находится на стадионе. Такие услуга незаменимы для риелторов, которые смогут показать все детали объекта для продажи, организовав виртуальную прогулку по нему, так, что покупатель может сам осмотреть все закоулки. Для примера можно посмотреть этот ролик: https://youtu.be/ecavbpCuvkI, в котором можно управлять направлением взгляда с помощью мыши или тач-пада. Недалеко то время, когда картинка будет следовать за направлением зрачков глаза. Другое не менее интересное применение VR – интерактивные фильмы с охватом сцены в 360о, онлайновые игры, удалённое обучение, виртуальные оркестры, когда пользователь может, например, сыграть на ударных инструментах вместе со знаменитыми музыкантами группы Deep Purple.

В этой статье мы лишь кратко коснулись будущих услуг 5G и опыта пользователя в этой сети. Наверняка, спектр этих услуг будет гораздо более широким, чем эта робкая попытка показать, что из себя будут представлять будущие услуги 5G в 2020 году, когда прогнозируется полномасштабное развёртывание сетей 5G. Дело в том, что многое из того, что будет казаться привычным и доступным в будущем, сейчас еще не существует, и технологии для этого либо ещё не созданы, либо находятся на стадии разработки, или даже идей. Могли ли мы предполагать, что можно будет смотреть фильмы в высоком качестве через Интернет, а не с DVD-диска, или непринужденно беседовать по видеосвязи через мессенджер всего лишь 10-15 лет назад? Скорее всего, о большинстве гораздо более захватывающих воображение услугах 5G, чем показанные здесь, никто сейчас и не подозревает.

Именно поэтому 5G – это не какой-то новый вид сети, это новая парадигма телекоммуникаций нового поколения, коренным образом меняющая все стороны жизни человека, и являющаяся часть того процесса, который называют «цифровой трансформацией».

Влияние на экономику и здоровый скептицизм

Многие аналитики прогнозируют высокий экономический рост, стимулированный развитием технологий 5G. Например, в Европе сектор ИКТ занимает около 4% ВВП, а инвестиции в него обеспечивают половину роста производительности труда. Новые мобильные технологии уже обеспечивают от 2% до 4% роста ВВП в шести странах Европы. Однако, эксперты указывают, что в прошлом действительные революционные приложения в мобильных сетях появлялись лишь после широкого распространения новых технологий, поэтому, ждать заметных перемен в области 5G стоит лишь спустя некоторое время, как минимум несколько лет. Стандарты 5G будут полностью разработаны к 2018-2019 году, а развертывание коммерческих сетей начнется не ранее 2020 года.

Британский премьер-министр Тереза Мэй в начале 2017 г. объявила, что часть бюджета Великобритании в 4,7 млрд. фунтов на инновационные исследования и разработки будет выделено целевым назначением для исследований в области 5G и искусственного интеллекта AI (Artificial Intelligence).

По данным консалтинговой фирмы Accenture, распространение инфраструктуры 5G может к 2020 году породить создание 3 млн. новых рабочих мест и добавить более 500 млн. долларов в экономику США. Ожидается, что в течение следующих семи лет операторы связи инвестируют до 275 млрд. долларов в создание инфраструктуры сетей 5G. Accenture также прогнозирует, что использование технологий 5G только в создании инфраструктуры «умных городов» в США должно породить 350 тыс. новых рабочих мест, а также 850 тыс. рабочих мест у партнёров и поставщиков.

Однако, многие операторы сохраняют определённый скептицизм относительно перспектив 5G. Например, крупнейший британский мобильный оператор EE (сейчас входит в состав British Telecom), считает, что внедрение новых технологий способно лишь замедлить падение доходов от услуг (c 6,2 млрд. англ. фунтов в 2011 г. до 6,0 млрд. в 2016), но к росту доходов оно вряд ли приведёт. Заметим, что это высказывание можно считать справедливым, если коренным образом не менять бизнес-модель оператора, а 5G именно это и предполагает. Но этого, как указывалось выше, следует ожидать не ранее 2020 г.

EE.jpg

Рис.  8. Доходы операторы EE (млрд. англ. фунтов). В 2012-2013 годах были внедрены услуги 4G и IPTV. (Источник: ЕЕ).

Опыт показывает, что большие скорости доступа сами по себе не являются причиной какого-либо заметного роста доходов. Например, Бенгт Нордстрём, глава консалтинговой компании Northstream, полагает, что, «несмотря на рост предложений в пакетах мобильного Интернета, тенденция роста доходов операторов сохраняется отрицательной с 2008 года». Он также отмечает, что «запуск 5G не означает роста доходов, но это может помочь операторам сохранить своих клиентов».

Что думают о перспективах 5G российские операторы? На Всемирном Мобильном конгрессе MWC2016 в феврале 2016 года, вице-президент по стратегии и маркетингу компании МТС Василь Лацанич высказал определённый скептицизм на ближайшие пару лет относительно новой технологии, отметив, что следует решить много проблем бизнеса и регулирования, прежде чем компания начнёт в нее инвестировать. Он отметил, что 5G сейчас интересна больше вендорам, нежели операторам. По словам Лацанича, 5G предполагает другой уровень требований со стороны приложений и пользователей, которых сегодня ещё нет. Кроме того, требуется значительная либерализация регулирования и рефарминг спектра частот для услуг 5G.

Тем не менее, МТС в декабре 2015 г. МТС объявила о пилотном проекте 5G с Ericsson во время чемпионата мира по футболу 2018 г. Это ставит МТС в число немногих компаний в мире, которые планируют как-то использовать 5G до формирования стандартов к 2020 г.  Например, Verizon планирует коммерческий запуск 5G в 2017 году, а AT&T уже провела такие испытания в прошедшем году.

«МегаФон» также объявил о планах запуска пилотного проекта 5G во время чемпионата в 2018 г., вместе с китайской компанией Huawei.

«Вымпелком», по сообщению «Интерфакс», в конце января этого года подписал соглашение с Huawei о разработке плана по внедрению решений 5G и интернета вещей (IoT). Однако, пока планируются лишь тестирования технологий LTE-U (LTE-Unlicensed), а также LTE-Advanced Pro (так называемое промежуточное решение 4.5G). В будущем планируется разработка и тестирование решений IoT, M2M, vRAN, а также решений по безопасности. Коммерческая эксплуатация планируется не ранее 2020 г.

Заключение

Подводя итог сказанному, можно сделать следующие выводы:

  1. 5G – не новая сетевая технология, а новая парадигма бизнеса в области ИКТ-услуг.
  2. Предоставление коммерческих услуг 5G возможно не ранее 2020 года, когда будут решены регуляторные и стандартизирующие вопросы, а также будет создана необходимая сетевая инфраструктура – 5G fabric.
  3. Технология 5G очень тесно переплетена с виртуализацией сетевых функций NFV. До полномасштабного развёртывания услуг 5G операторам необходимо пройти процесс «цифровой трансформации» своей сети, бизнеса и организационной структуры. По такому пути сейчас идут наиболее передовые операторы: AT&T, Verizon, Vodafone, Orange, China Mobile, Telefonica и другие.
  4. 5G приведет к тому, что в бизнесе операторов больше не будет «базовых» услуг и услуг «с добавленной стоимостью». Каждый оператор сможет сам определять пакеты услуг на основе предпочтений пользователей и конъюнктуры рынка.
  5. «Опыт пользователя» (user experience) в сети 5G будет намного богаче и разнообразнее за счёт таких приложений, как IoT/IIoT, «подключенный автомобиль», самоуправляемый транспорт, приближенные к реальности (immersive) видео-приложения, а также такие, о которых сегодня мы ещё можем и не знать.

И наконец, пара советов вендорам.

  • Самое плохое, что можно сделать в продвижении решений 5G – это т.н. «overselling», то есть, пропаганда слишком завышенных финансовых ожиданий для заказчика. В частности, на конгрессе SDN в Дюссельдорфе в октябре 2015 г. Нуель Форэ (Noël Foret) вице-президент французского оператора Orange, говорил, что завышение финансовых оценок (overselling) новых продуктов – контрпродуктивно. Это может привести к сокращению инвестиционных программ на следующий период планирования (из-за завышенных объёмов экономии, как планируемого результата), кроме того, это может вызывать у заказчика раздражение и разочарование в возможностях вендора.
  • Большой ошибкой вендоров, является маркетинговая политика, ориентированная на эксклюзивность сотрудничества с тем или иным оператором по модели «ключевого партнёра». Вендоры, участвующие в проектах цифровой трансформации вообще, и 5G в частности, должны стремиться к сотрудничеству в рамках проекта, проводя политику «кооперенции» (конкуренция+кооперация) друг с другом. Вендоры должны делать больший упор на совместимость и взаимо-операбельность своих решений, и выходить к заказчикам с такими продуктами, функции которых оттестированы в мультивендорной среде. Время «эксклюзивного партнёрства» вендоров с операторами закончилось, поскольку теперь, в связи с цифровой трансформацией операторского бизнеса, наряду с такими монстрами, как Ericsson, Nokia и Huawei, на арену выходит много относительно небольших ИТ-компаний и софтверных стартапов, которые смогут обеспечить то разнообразие сервисов, и опыт пользователя, которые возможны в 5G.

*   *   *

Снимок

Об авторе Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
Галерея | Запись опубликована в рубрике Технологии с метками , , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s