5G как одна из основ цифровой трансформации

На сайте TAdviser.ru опубликована статья об основах 5G. Ниже приведён полный текст статьи.

***

Сети связи «пятого поколения», 5G, вкупе с анализом «Анализом Больших Данных» (Big Data) и Интернетом Вещей (IoT), призваны стать одной из основ цифровой экономики, главной движущей силой которой должен стать Искусственный Интеллект (ИИ).

За 40 с небольшим лет сменилось четыре поколения сетей мобильной связи. Если сотовые сети первого поколения 1G давно исчезли, то сети 2G, 3G и 4G до сих пор продолжают эксплуатироваться. Более того, некоторое количество унаследованной инфраструктуры сетей 3G и 4G органично войдёт в состав мобильных сетей пятого поколения 5G.

Необходимость перехода к 5G

Расходы на пропуск всё возрастающего трафика по сетям операторов связи в настоящее время не покрывается доходами от традиционных услуг. Поиск новых услуг, т.н. «killer application» традиционных телеком-платформ обычно не даёт ожидаемых результатов.

1.png

Рисунок 1. Разрыв доходов операторов связи (Источник: telsoc.org)

Между тем, основной рост трафика и доходов происходит не в секторе устройств людей, а в секторе устройств Интернета Вещей IoT, который является одной из базовых целей функционала 5G.

2

Рисунок 2. Рост числа подключённых к сети устройств (Источник: Ericsson).

Поэтому, сети 5G можно считать одной из необходимых составных частей цифровой трансформации и цифровой экономики. По словам СЕО компании Ericsson: Борье Эркхольма (Borje Ekholm): «Мы видим, что США и Китай стремительно лидируют в 5G. Швейцария также рвётся вперёд, Австралия, Япония, Корея уже делают ранние проекты 5G. Я думаю, правительства этих стран понимают, что 5G действительно является важной национальной инфраструктурой».

Стандартизация

Стандартизация технологий и решений 5G должна завершиться к 2021 году, поэтому термином 5G сейчас обозначаются лишь фрагментарные решения, которые в будущем войдут в состав полномасштабного решения IMT2020. Такие решения уже разворачиваются в разных странах, однако они пока носят локальный и тестовый характер, и не предоставляют весь планируемый функционал сетей стандарта IMT2020.

  • Основные стандартизирующие организации 5G

3GPP (3rd Generation Partnership Project), альянс из семи организаций, разрабатывающих различные стандарты телекоммуникаций, в которые, в свою очередь входят другие партнёры. Задача 3GPP – формулировка технических требований, оценка предложений, и окончательное принятие стандартов. В середине 2017 года был принята версия общего стандарта Release 15, в настоящее время разрабатывается Release 16, которая будет принята в 2019 г. Кроме разработки общей архитектуры, 3GPP также разрабатывает стандарты радио-технологий 5G New Radio (NR) для новых частотных диапазонов, выделяемых под 5G.

  • ETSI (European Telecommunication Standard Institute), Европейский институт телекоммуникационных стандартов, который является членом 3GPP, и наиболее активно работает в области разработки стандартов 5G.

IETF (Internet Engineering Task Force). IETF разрабатывает решения модернизации IP-протокола для поддержки виртуализации сетевых функций NFV (Network Fucntion Vitrualization). Например, IETF разработала технологию сцепки функций сервисов SFC (Service Function Chaining), которая комбинирует виртуализированные компоненты архитектуры 5G, например, базовые станции, шлюзы услуг и пакетов данных в едином маршруте. Это позволяет динамическое создание и сцепку виртуальных сетевых функций VNF (Virtual Network Functions). IETF работает в тесном взаимодействии с 3GPP.

ITU (International Telecommunication Union): ITU – агентство ООН, расположенное в Женеве, которое занимается стандартизацией широкого спектра телекоммуникационных технологий. В частности, оно координирует работу по совместному использованию спектра радиочастот, в т.ч. для сетей 5G.

Кроме этих трёх основных координирующих организаций, есть ряд других, в которых ведётся планомерная практическая работа по разработке стандартов IMT2020 (5G).

5GPPP (5G Infrastructure Public Private Partnership), считается одним из ведущих партнерств по стандартизации 5G. Организация ставит амбициозные цели по разработке требований к сети 5G, например, увлечение ёмкости сети в 1000 раз, снижение энергопотребления пользовательских устройств на 90%, существенное сокращение времени создания новых сервисов и услуг, полное и безопасное сетевое покрытие и с пренебрежимо малой задержкой передачи данных, и пр.

NGMN (Next Generation Mobile Networks) Alliance. Альянс мобильных сетей следующего поколения занимается стандартизацией полного спектра решений 5G. В альянс входит руководство ведущих американских операторов: AT&T, U.S. Cellular и Verizon.

Кроме указанных, существуют отраслевые и региональные организации, такие как 5G Americas, Small Cell Forum, которые также вносят большой вклад в разработку и стандартизацию решений 5G.

3.png

Рисунок 3. Дорожная карта стандартизации 5G в 3GPP (источник: The ABC’s of 5G New Radio Standards. 5992-3406EN © Keysight Technologies, November 8, 2018. keysight.com)

4

Рисунок 4. Планируемый график стандартизации 5G в ITU (источник: https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx)

Большой вклад в разработку стандартов вносят также и крупные операторы связи, такие как AT&T, Verizon и др. Они координируют свою работу с ETSI и ITU, но иногда опережают эти организации. Поэтому решения этих операторов часто ложатся в основу стандартов ETSI и ITU.

Цель создания и назначение сетей 5G

Сети мобильной связи предыдущих поколений имели следующие назначения и функционал:

  • 1G: Услуги передачи речи по аналоговой сети
  • 2G: Услуги передачи речи по цифровой сети, низкоскоростные услуги передачи данных (GPRS, EDGE)
  • 3G: Высокоскоростные услуги передачи данных (HSPA), с возможностью передачи голоса по сети IP, мобильный доступ к Интернет MBB (Mobile Broadband).
  • 4G: Мобильный широкополосный доступ MBB на базе LTE, LTE-А ), передача голоса (VoLTE)

Сети 5G значительно расширяют ограниченный функционал мобильных сетей предыдущих поколений. Основными функциональными особенностями сетей 5G являются следующие:

  • Усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB (enhanced MBB)
  • Сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой ULLRC (Ultra Low Latency Reliable Communication)
  • Массивные межмашинные коммуникации Massive IoT/IIoT, мMTC (massive Machine Type Communication)

На основе этих трёх генерализованных видов функционала строится всё многообразие услуг и возможностей сетей IMT2020 (5G), наиболее характерные из которых показные на рисунке ниже:

5.png

Рисунок 5. Многообразие функциональных возможностей сетей IMT2020/5G (источник: Emerging Trends in 5G/IMT2020, 2016, ITU).

Гигабайты в секунду. Сети 5G способны значительно повысить скорость передачи данных через различные технологии радиодоступа (RAT), и при помощи задействования новых спектров радиочастот 5G NR (New Radio). Пользователь получает практически неограниченную полосу пропускания, как для домашнего использования различных сервисов, так и для целей предприятий (Immersive Telepresence, Industrial IoT и пр.)

Умный дом. Целый спектр различных сервисов Интернета Вещей (IoT) будет доступен для решения «Умный дом» (Smart Home) и «Умное здание» (Smart Building): видеонаблюдение, управление и автоматизация бытовой техники, управление системами безопасности, хранилища контента, климатика и пр.

Умный город. Решение «Умный город» — это горизонтальное и вертикальное масштабирование функционала и спектра сервисов «Умного дома». Основные сервисы «Умного города»: Безопасный город, электронное правительство e-Government, электронное здравоохранение e-Health, электронное образование e-Education, электронный банкинг e-Bank, электронный сбор показаний ЖКХ Smart Meters, «умные электросети» Smart Grid, и пр.

Новые видеоуслуги 4К/8К: Объёмное видео, экран сверхвысокой чёткости (UHD), возможность эффекта присутствия.

Работа в облаке. Сервис даёт возможность не только хранить данные в облачном хранилище и извлекать их оттуда, но и использовать прикладные программы, которые работают непосредственно из облака. Причём, с возможностью их использования на любом устройстве и из любого местоположения. Кроме того, имеется возможность использования интерфейсов прикладного программирования API, через которые облачные сервис-провайдеры могут предоставлять свои услуги абонентам оператора сети 5G.

Дополненная и виртуальная реальность (AR/VR). Сервис виртуальной реальности VR (Virtual Reality) погружает человека в иной мир, воздействуя на его органы чувств, прежде всего зрение (VR-очки). Сервис дополненной реальности AR (Augmented Reality) комбинирует для пользователя реальную среду с виртуальными предметами. Эти сервисы пригодны не только для развлечения, игр, виртуального общения в режиме «телеприсутствия», но также могут существенно улучшить процесс обучения, когда студенты при помощи VR-очков могут, например, наглядно видеть внутреннее строение человека на лекции по анатомии, мастер в цехе может изучить порядок сборки сложного агрегата и пр.

Промышленная автоматизация. Сеть 5G, вкупе с технологией интернета вещей IoT, при помощи промышленных датчиков IIoT (Industrial Internet of things), а также при помощи искусственного интеллекта ИИ (AI, Artificial Intelligence) способны существенно повысить степень автоматизации производства. При этом становится возможным в режиме реального времени анализировать большие объёмы разнородных данных (Big Data) и на основе полученных выводов (insights) и с использованием машинного и глубокого обучения (Machine learning, Deep learning).

Бизнес-критичные приложения (Mission Critical Applications). К этим приложениям могут относиться, например, электронная медицина (e-Health), связь при чрезвычайных ситуациях (Mission Critical Communication), Тактильный Интернет (Tactile Internet) и другие.

Беспилотный транспорт (Driverless Vehicles). Беспилотный транспорт может выступать как часть услуги «Умный город», однако, может предоставляться на собственной платформе. В него входят не только беспилотные автомобили (driverless cars), но также и беспилотные тракторы для «умного сельского хозяйства» (Smart Agriculture), беспилотные поезда для метро и пригородных железных дорог, дроны и другие виды общественного и специального транспорта. Кроме того, на платформе 5G возможна реализация систем помощи водителю ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems).

Следует подчеркнуть, что на рисунке выше показаны лишь НЕКОТОРЫЕ услуги и решения платформы 5G. В отличие от сетей предыдущих поколений, спектр услуг которых был жёстко ограничен и несколько расширен в 4G, услуги платформы 5G носят синергетический и масштабируемый характер, и не ограничены однажды заданным функционалом. Фактически, 5G играет роль платформы для режима разработки новых услуг и приложений DevOps, когда новые функции создаются разработчиками (Development) в тесной координации с командами, которые отвечают за их внедрение и эксплуатацию (Operation).

В целом, можно сказать, что сеть 5G вбирает в себя не только мобильные, но также и фиксированные услуги связи, а также высокоскоростной доступ к Интернет с малой задержкой (см. рис. ниже), и, кроме того, специализированные и корпоративные сети для вертикальных отраслей экономики.

6.png

Рисунок 6. Универсальность платформы 5G/IMT2020.

 

Практические преимущества 5G

Платформа сети 5G предоставляет для операторов значительные преимущества, выражающиеся прежде всего, в расширении функциональных возможностях и характеристик сети (performance) и повышении удовлетворённости пользователей (User Experience). На рисунке ниже показаны основные параметры сети IMT2020 (5G), по сравнению с показателями IMT-Advanced (4G), которые позволяют этого достичь.

7.png

Рисунок 7. Практические преимущества 5G (источник: Emerging Trends in 5G/IMT2020, 2016, ITU).

Пиковая скорость: сеть 5G обеспечивает в 20 раз бòльшую скорость по сравнению с 4G, то есть,  около 20 Гбит/с.

Скорость на пользователя (средняя) при этом может достигать 100 Мбит/с и более.

Эффективность использования спектра, количество информации, которую можно передать на единицу частотного диапазона, в сети 5G будет по крайней мере в 3 раза выше, чем в 4G.

Мобильность пользователя, скорость, с которой может перемещаться пользователь с терминалом 5G по площади покрытия сети без потери хендовера между базовыми станциями, в сети 5G достигает 500 км/час, что даёт возможность пользоваться услугами 5G в скоростных поездах.

Задержка в сети 5G снижается до 1 мс и менее, в то время как в сети 4G можно достичь минимум 10-миллисекундной задержки. Это позволяет использовать технологию 5G для критичных коммуникаций и видеонаблюдения, услуг Тактильного Интернета, AR/VR и пр.

Плотность терминалов в сети 5G повышается на порядок и может достигать нескольких миллионов устройств на 1 км2, то есть, на 1 квадратном метре поверхности могут располагаться несколько десятков или даже сотен миниатюрных устройств (например, сенсоров IoT).

Энергоэффективность сети 5G на порядок лучше, чем в сети предыдущего поколения.

Ёмкость трафика на единицу площади, то есть скорость передачи данных квадратный метр площади покрытия сети, в 5G на два порядка выше, чем в сети 4G.

На рисунке ниже показаны соотношения по степени важности для основного функционала 5G (усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB, сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой, массивные межмашинные коммуникации) параметров сети 5G, показанных на предыдущем рисунке.

8.png

Рисунок 8. Соотношения по степени важности параметров сети 5G для основного функционала (источник: Emerging Trends in 5G/IMT2020, 2016, ITU).

 

Частоты

5G предполагается использовать в различных спектрах радиочастот. Однако, в диапазоне до 6 ГГц, в том числе выделенного под Wi-Fi диапазона 5 ГГц, пока существуют серьёзные проблемы с наличием свободных частот. Выделение частот для 5G в спектре до 6 ГГц уже согласовано на Всемирной конференции радиосвязи ВКР (WRC-15, World radiocommunication conference) в 2015 году. Диапазоны более высоких частот будут распределяться на ВКР-19 в 2019 году[1].

Применение низкочастотных участков спектра для сетей 5G позволяет достичь оптимального покрытия сети без массивных инвестиций в развитие сетевой инфраструктуры.

Низкие частоты обеспечивают хорошее проникновение радиоволн в помещения, что очень важно для IoT. В особенности, важен диапазон 700 МГц, предназначенный для систем связи М2М, «умного города» и «умных домов». Для особо надёжного подключения таких объектов, как, например, самоуправляемые автомобили, роботы, промышленная автоматизация, могут использоваться диапазоны 3,4-3,8 ГГц. Предполагается, что в эпоху 5G операторам будут выделяться сплошные частотные полосы по 300-400 МГц.

Высокочастотный спектр необходим сетям 5G для достижения скорости передачи данных до 20 Гбит/с, в частности, для предоставления услуг 3D-видео в формате UHD, AR/VR, облачные сервисы для работы и игр, голографическая связь, Тактильный Интернет и пр. В частности, для этого рассматривается возможность использования диапазонов 24,25-27,5 ГГц и 37-43,5 ГГц.

На рисунке ниже показано планируемое распределение низкочастотного спектра 5G в различных странах и регионах мира согласно WRC-15.

9.png

Рисунок 9. Распределение низкочастотного диапазона 5G в различных странах и регионах мира (источник: Nokia).

По данным НИИ Радио (НИИР) и Союза ЛТЕ-операторов, выделение частот 5G для России будет определяться назначением частотных диапазонов.

10.png

Рисунок 10. Выделение новых частот для 5G в России (источник: НИИР, Союз ЛТЕ-операторов)

 

Технологии 5G New Radio (5G NR)

Для того, чтобы удовлетворить всё возрастающие требования к мобильной связи, для 5G были разработаны технологии, объединённые под общим названием «новое радио 5G», 5G New Radio (5G NR). По сравнению с радио-интерфейсом в сетях 4G, 5G NR имеет несколько важных преимуществ.

Разработка 5G NR велась практически «с ноля», с учётом требований к сетям 5G и с применением лучших технологий, которые будут доступны к моменту полномасштабного развёртывания сетей 5G. Таким образом, в 5G NR используются новейшие технологии модуляции, образования форм волн (waveforms) и технологий радиодоступа RAT (Radio Access Technology), которые, в т.ч., будут обеспечивать высокую скорость передачи данных и удлинение срока службы батарей пользовательских устройств 5G.

11.png

Рисунок 11. Основные требования стандарта 3GPP (Источник: ITU, Nokia, Qualcomm).

Предварительные требования к технологии 5G NR появились в стандарте 3GPP Release 15, утверждённом в декабре 2017, и ожидается, что окончательный вариант будет утверждён в декабре 2019 г.

Основные отличительные особенности радио-технологии 5G NR – следующие:

  • Добавление новых диапазонов радио-спектра, согласно требованиям к скорости передачи сигналов, числа устройств, роста трафика многочисленных приложений 5G. Новые диапазоны 5G NR лежат в пределах от 2,5 до 40 ГГц. Ведутся обсуждения об использовании спектра до 100 ГГц.
  • Оптимизированная технология OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Эта технология уже была успешно применена в 4G/LTE-A, а также в последних версиях Wi-Fi.

Формирование лучей (Beamforming). Это технология, которая лишь в последние годы перешла от концепции к реализации, и которая способна реализовать многие преимущества 5G. Beamforming даёт возможность направлять луч радиоволн от базовой станции на определённые устройства, как движущиеся, так и неподвижные, без влияния на другие лучи, направленные на те же устройства.

12.png

Рисунок 12. Формирование лучей Beamforming (источник: Analysys Mason).

  • MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO – Метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, который уже применялся в Wi-Fi и 4G, в 5G был значительно усовершенствован, в частности, в многопользовательском режиме MU-MIMO (Multi-User MIMO) в базовых станциях 5G gNnodeB (gNB), антенны которых состоят из матрицы излучающих элементов. Это даёт возможность усиливать уровень сигнала для конкретного пользователя, в то же время минимизируя влияние данного сигнала на других пользователей.
  • Технологии совместного использования спектра (Spectrum sharing). Многие спектры радиочастот, соответствующим образом распределённые, часто не используются эффективно. Для решения этой задачи были разработаны технологии Spectrum sharing.
  • Унифицированное межчастотное взаимодействие (Unified design across frequencies). Поскольку в 5G NR добавлено множество новых частотных диапазонов, важно обеспечить интерфейс взаимодействия при переходе канала с одной частоты на другую при хендовере между базовыми станциями.

Маленькие соты (Small cells). Уплотнение сетевого покрытия ведёт к тому, что число базовых станций должно увеличиваться. Поэтому было предложено решение Small Cells – titybt ythtрешение недорогих, простых в установке и обслуживании базовых станций небольшой мощности. Их можно развешивать на мачтах уличного освещения, на стенах домов и других объектах. Сеть 5G способна эффективно координировать их работу, перераспределяя нагрузку между антеннами.

13.png

Рисунок 13. Решение small cells (слева), по сравнению с обычной базовой станцией Macro BTS в сети предыдущих поколений.

При этом можно использовать распределённые антенные системы DAS (Distributed Antenna System) фактически «закрывая» одной или несколькими базовыми станциями многоэтажные здания. Небольшие антенны с радио-блоками можно располагать практически в каждом помещении, обеспечивая наилучшее качество связи.

14.png

Рисунок 14. Распределённые антенные системы DAS и единая базовая станция, обслуживающая здание целиком.

Единую инфраструктуру базовых станций и DAS могут использовать несколько операторов связи одновременно.

 

Архитектура опорной сети (Core Network) 5G

Особенность архитектуры сети 5G состоит в том, что традиционное понятие «архитектура сети», основанной на аппаратных решениях, в сети 5G теряет актуальность.

Поэтому 5G чаще называют не сетью, а системой, или «платформой», под которой имеется в виду платформа программная, а не аппаратная. Если сети 1/2/3/4G строились на базе аппаратных решений (оборудования), то платформа 5G строится на базе программных решений, в частности, программно-конфигурируемых сетей SDN (Software Defined Network), а также виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization).

Функции 5G реализуются в виртуальных программных функциях VNF (Virtual Network Function), которые работают в инфраструктуре NFV). Различие между этими похожими по звучанию понятиями состоит в том, что VNF – это функция, а NFV – это технология. В свою очередь, NFV реализуется в физической инфраструктуре дата-центров (data center, DC, центр обработки данных, ЦОД), на базе стандартного коммерческого оборудования и программ COTS (Commercial Off The Shelf). Оборудование COTS включает лишь три вида стандартных, относительно недорогих устройств – сервер (вычислительное устройство), коммутатор (сетевое устройство) и система хранения данных (устройство хранения).

15.png

Рисунок 15. Переход к виртуальным платформе SDN/NFV в 5G (Источник: HPE, TAdviser)

Таким образом, оборудование традиционных сетей мобильной связи заменяется на программные сущности, работающие в дата-центрах на стандартных серверах и виртуальных машинах VM (virtual machines).

Для реализации программных функций, кроме виртуальных машин, также будут использоваться программные контейнеры (containers), а также программная архитектура микросервисов (microservice)

Распределённая архитектура сети мобильного доступа D-RAN (Distributed RAN) в сетях 4G постепенно эволюционирует к централизованной архитектуре C-RAN (Centralized RAN).

В архитектуре 5G функции опорной сети реализуются в центральном облаке Central Cloud (Cloud RAN), на виртуальных машинах VM.

Важную роль в развитии сетей 5G будут играть также граничное облако (Edge Cloud), в частности, технология MEC (Mobile Edge Cloud), а также «туманное облако» (Fog Cloud).

Виртуализация сети на базе NFV/SDN необходима также для полезной функции 5G: логической сетевой нарезки (Network Slicing).

16.png

Рисунок 16. Общая архитектура сети 5G (источник: ЦПИКС).

Технология Network Slicing позволяет на базе единого объёма (пула) сетевых ресурсов производить логическое разделение сетей для различных типов услуг 5G, которым требуются различные технологии радиодоступа RAT (Radio Access Technology), с различными характеристиками сред передачи данных. Это, например, услуги:

  • Высококачественное видео UHD
  • Голосовые услуги (5G Voice)
  • Интернет вещей с большим количеством датчиков, сенсоров и исполнительных устройств (Massive IoT)
  • Интернет вещей для критичных приложений, таких, например, как беспилотный транспорт (V2X), электронная медицина (Mission Critical IoT)
  • и многие другие.

Все эти услуги, предоставляемые на базе технологии Network Slicing работают на единой физической инфраструктуре дата-центров центрального и граничного облака, а также «туманной» инфраструктуры (Fog Computing), необходимой для Massive IoT и Промышленного Интернета Вещей IIoT (Industrial IoT).

Это даёт возможность многократного использования однажды созданной программно-аппаратной инфраструктуры, а также гибкое переназначение её наличных ресурсов. Кроме того, такой подход позволяет снизить не только капитальные затраты на строительство сети, но и операционные затраты на её обслуживание.

[1] http://1234g.ru/novosti/chastoty-dlya-5g

 

About Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
Gallery | This entry was posted in 5G, цифровая трансформация. Bookmark the permalink.

2 Responses to 5G как одна из основ цифровой трансформации

  1. Pingback: 5G статья – номинация от Ростелекома и Ericsson | Telecom & IT

  2. Pingback: Ericsson – конкурс журналистких работ по 5G | Telecom & IT

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.