Пока во всем мире идет стремительное развертывание сетей четвертого поколения по технологии LTE, производители оборудования, операторы, научно-исследовательские институты и международные организации разрабатывают стандарты и запускают тестовые сети 5G, которым предстоит перевернуть наше представление о том, что такое мобильная связь. Все они сходятся в одном – мобильные технологии нового поколения должны быть настолько «гибкими», чтобы обеспечить самые разные потребности, от ставшей привычной передачи данных до хирургических операций через Интернет или управления процессами промышленного производства.

О каких-либо технологических характеристиках мобильных сетей нового поколения можно будет говорить только к 2020 году. Именно в это время, по оптимистичным прогнозам, начнется коммерческая эксплуатация сетей 5G. Согласно Ericsson Mobility Report, к 2020 году объем трафика в мобильных сетях вырастет более чем в девять раз по сравнению с 2014 годом. Необходимость в новом стандарте будет острой.

Однако уже сегодня довольно четко сформулированы требования к сетям 5G, которые основываются на прогнозах мобильных подключений и передачи данных к 2020 году. Согласно Ericsson Mobile Research, к 2020 году объем трафика в мобильных сетях вырастет более чем в 10 раз по сравнению с 2014 годом, а ежемесячный объем трафика, который приходится на один смартфон, для жителей Западной Европы вырастет в 5 раз. Если добавить сюда миллиарды устройств, которые могут выиграть от подключения к беспроводной сети – а значит, будут к ней подключены – становится очевидным, что перед разработчиками сетей пятого поколения стоит непростая задача.

Главное требование к сетям 5G – обеспечение надежного высокоскоростного соединения между огромным количеством устройств и приложений, с самыми разными характеристиками и требованиями.

Несмотря на то, что каждое новое поколение мобильных сетей обеспечивает более высокие скорости передачи данных по сравнению с предыдущим, до сих пор речь, как правило, шла о технических возможностях сети в идеальных условиях. Что касается сетей 5G, на первый план выходят реальные скорости при различных сценариях. Так, по оценкам Ericsson, в отдельных случаях, например, внутри зданий или в условиях плотного уличного покрытия, скорости могут превышать 10 Гб/с (в 10 раз больше максимальных скоростей в сетях 4G). В городе или пригороде речь идет о нескольких сотнях Мб/с, в остальных районах, включая малонаселенную сельскую местность как в развитых, так и развивающихся странах, повсеместно скорости передачи данных должны быть не ниже 10 Мб/с.

Другим показателем работы сети, который напрямую связан со скоростью передачи данных, является скорость ответа. Поскольку сети пятого поколения рассчитаны не только (а, возможно, и не столько) на индивидуальные потребности пользователей, но и на межмашинное взаимодействие, в некоторых случаях – например, когда речь идет о дорожной безопасности, контроле над критической инфраструктурой или промышленном производстве – время реакции может стать решающим для функционирования подобных систем. Время реакции не выше одной миллисекунды должно стать не просто возможностью, а гарантией, без отклонений.

Одним из примеров, когда скорость ответа является критической для нормального функционирования системы, является горнодобывающая промышленность. В мае этого года в Швеции запущен пилотный проект, в рамках которого технологии 5G будут использоваться для повышения производительности труда и обеспечения безопасности работ в этой одной из самых сложных и опасных отраслях.

Учитывая взрывные темпы роста объемов передаваемого трафика, крайне важным становится вопрос снижения стоимости передачи одного бита информации, а также сокращение энергопотребления сетей 5G.

Перед разработчиками стандартов пятого поколения стоит непростая задача создания сети, которая бы отвечала самым разным требованиям, при этом все ее составляющие должны быть интегрированы, обеспечивая возможность бесшовного перехода от одной технологии к другой. Так, даже говоря только о межмашинном взаимодействии, специалисты Ericsson выделяют разные типы подобных соединений. Первое – это массивное межмашинное взаимодействие, в которое вовлечено огромное количество недорогих устройств типа сенсоров, актуаторов и пр., с низким энергопотреблением, долгим сроком службы батареи (в несколько лет), каждый из которых генерирует очень небольшой объем данных (возможно, передаваемый раз в несколько недель, как, например, датчики дождя и ветра). Вместо создания масштабного мобильного соединения для всех устройств такой системы возможно построение так называемых «капиллярных сетей», когда локальные соединения устанавливаются через короткие радиоволновые технологии, такие как Wi-Fi, Bluetooth или 802.15.4/6LowPAN. За пределами таких локальных сетей соединение уже может быть установлено по мобильной сети оператора через межсетевой узел.

Другой тип межмашинного взаимодействия – критическое. В этом случае речь идет о таких системах, как дорожная безопасность, контроль за критической инфраструктурой, беспроводное соединение в промышленном производстве. Здесь критически важными становятся именно высокая надежность, минимальное время реакции, а низкое энергопотребление и стоимость устройств отходят на второй план.

Технологии

Специалисты Ericsson подчеркивают, что, в отличие от сетей предыдущих поколений, 5G станет не просто технологией радиодоступа, а масштабным беспроводным решением, отвечающим требованиям мобильных коммуникаций после 2020 года. LTE по-прежнему будет развиваться как технология с обратной совместимостью, оставаясь важной составляющей сетей 5G в частотном диапазоне ниже 6 ГГц. Параллельно будет развиваться новая технология радиодоступа без обязательной обратной совместимости, которая, по крайней мере первое время, будет реализована в новом частотном спектре. В долгосрочной перспективе эта новая технология может также быть переведена на используемый сегодня спектр. Несмотря на то, что в целом решение 5G будет состоять из различных компонентов, включая развитие LTE-сетей и новые технологии, все эти составляющие должны быть очень хорошо интегрированы для того, чтобы обеспечивать бесшовный переход от одной технологии к другой.

Что касается радиочастотного спектра, используемого для развертывания сетей 5G, пока этот вопрос остается открытым – решение по нему, как ожидается, будет принято на Всемирной конференции радиосвязи в 2019 году. Для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность увеличивать емкость сетей и обеспечивать широкую полосу пропускания для поддержки очень высоких скоростей передачи данных, необходимо расширять частотный диапазон, используемый сегодня для мобильных соединений. Речь идет как о новых частотах в диапазоне ниже 6 ГГц, так и о более высоком диапазоне – до 100 ГГц. Траектория радиоволн предпочтительнее в диапазоне до 30 ГГц, однако выделение широких полос, на уровне 1 ГГц или даже шире, возможно только в более высоком спектре.

При этом важно понимать, что высокие частоты, особенно выше 10 ГГц, могут служить лишь дополнением, обеспечивая дополнительные системные возможности и широкую полосу для ультравысоких скоростей при плотном развертывании сети. Более низкие частоты останутся ядром для мобильных сетей пятого поколения, обеспечивая повсеместное покрытие на больших территориях.

Помимо перевода в более высокий частотный спектр, сегодня можно говорить и о других технологических особенностях, которые будут характерны для сетей пятого поколения. Речь идет о мультиантенной передаче данных, разработках в области технологий малых сот (в архитектуре гетерогенных сетей), транспортных сетях с повышенной пропускной способностью.

По мере того, как международные организации, такие как 3GPP, NGMN и Международный союз электросвязи, работают над техническими стандартами сетей 5G, операторы связи и производители оборудования постепенно начинают тестировать первые опытные сети нового поколения.

Летом прошлого года инженеры Ericsson добились в своей шведской лаборатории передачи данных со скоростью 5 Гб/с в частотном диапазоне 15 ГГц. В ходе демонстрации были представлены возможности нового радиоинтерфейса, находящегося в процессе разработки, и результаты работы улучшенной MIMO-технологии. Специально для тестирования 5G были спроектированы базовые станции с новым модулем BBU (Base Band Unit) и радиомодулем (Radio Unit). Меньше чем через год компания объявила о запуске нескольких тестовых проектах 5G в режиме реальных условиях. Так, в конце мая были запущены две сети – одна в Стокгольме, другая – в городе Плано, штат Техас. Решение этих тестовых зонах выглядит довольно простым: мобильные устройства 5G подключаются одновременно не к одной соте, как в предыдущих поколениях сетей, а сразу к нескольким – так называемое мультиточечное соединение.

«Чтобы запустить сети пятого поколения в коммерческую эксплуатацию к 2020 г., исследования и разработки в области 5G должны выйти за рамки лабораторий, необходимо начать проводить испытания на действующих тестовых сетях», - считает менеджер по стратегическим продуктам бизнес-подразделения беспроводной связи Ericsson Хокан Андерссон (Håkan Andersson).

В Multipoint Connectivity with Distributed MIMO для контроля за подключением мобильного устройства к сети используются очень сложные методы, которые в настоящее время не являются стандартом для сетей LTE. Технология LTE развивается и со временем станет частью систем 5G, в которых для подключения устройств к сети также будут использоваться новые радиоинтерфейсы. Новейшие разработки Ericsson, применяемые для тестовых сетей 5G, предназначены для обеспечения взаимодействия мобильных устройств с сетями беспроводного доступа как в помещениях, так и на улице.

Александра Ромова