Цель создания и назначение сетей 5G
G как одна из основ цифровой трансформации
Posted on 07/02/2019by Алексей Шалагинов
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.
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.
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.
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)
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, м MTC (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:
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.
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.
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.
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.
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.
Рисунок 10. Выделение новых частот для 5G в России (источник: НИИР, Союз ЛТЕ-операторов)
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 77; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!