Мережі 5G

5G (5-е покоління мобільних мереж) назва, що використовується в деяких наукових роботах і проектах для позначення таких основних фаз мобільних телекомунікаційних стандартів після стандартів 4G (як очікувалось, завершились приблизно між 2011 і 2013). В даний час, 5G не є офіційним терміном, використання для будь-якої конкретної специфікації.

Станом на початок 2018 року дана технологія не була повністю визначена у міжнародних стандартах, а лише перебувала у стані розробки. Першим стандартом цієї технології став ухвалений наприкінці 2017 року стандарт англ. New Radio (NR). Передбачено, що розгортання нових технологій відбуватиметься в декілька етапів. Спочатку буде впроваджено 5G NR Non stand-alone, яка використовує наявну мережу 4G LTE eNB

Загальна характеристика

Станом на початок 2017 року офіційного стандарту 5G не було прийнято, роботи над його розробкою тривали в міжнародних організаціях.

Передбачено, що 5G забезпечуватиме швидшу передачу даних в порівнянні з 4G, зробить можливим щільніше розташування пристроїв, та надасть можливості для прямої взаємодії між різними пристроями.

Також дослідники прагнуть скоротити затримки та зменшити споживання електричної енергії (важливо для мобільних пристроїв та пристроїв типу «інтернет речей») в порівнянні з 4G.

Серед іншого, стандарт 5G має забезпечити такі характеристики:

пікова швидкість завантаження даних на одну базову станцію до 20Гб/с
швидкість завантаження даних до 100 Мб/c та вивантаження до 50 Мб/c для одного абонента
можливість абонентському пристрою рухатись зі швидкістю до 500 км/год між базовими станціями (наприклад, у швидкісному потязі)
можливість пристроям перемикатись між режимом заощадження енергії та повністю робочим за 10 мс
затримки (англ. latency) до 4 мс за сприятливих умов, і до 1 мс для спеціалізованих з'єднань
поліпшена ефективність використання радіочастотного спектру
передача даних зі швидкістю 1 Гб/c водночас для багатьох користувачів на одному поверсі будівлі
можливість роботи до 1 млн пристроїв на 1 км².

Деякі інженери припускають, що малі затримки разом із високою швидкістю передачі даних дозволять передати дедалі більшу частину обробки і зберігання даних зі смартфонів на потужніші сервери в хмарах. Але навіть якщо кінцевий споживач і не помітить всіх переваг нових технологій, наявні у ній можливості можуть стати в нагоді пристроям типу «інтернет речей» та іншим вбудованим і «розумним» комп'ютерним системам.

У новому звіті прогнозується, що у 2021 році кількість 5G-підключень сягне 340 млн, а вже у першій половині 2023 року перевищить 1 млрд. Очікується, що до 2025 року кількість з’єднань 5G складе 2,7 млрд, що більш ніж 20% від загального числа мобільних підключень у світі.

«Основні американські оператори абсолютно чітко оголосили про наміри запустити 5G в кінці 2018 року. Втім останнім часом ми
спостерігаємо більш активну діяльність в розгортанні мереж від операторів у Європі, на Близькому Сході та у Китаї, – говорить Кестер
Манн (Kester Mann), головний аналітик CCS Insight. – Хоча Європа все ще відстає приблизно на рік від провідних ринків 5G, деякі
регіональні оператори рішуче налаштовані запустити комерційні послуги вже наступного року».

Минулого тижня компанія Telia запустила тестову мережу 5G в Гельсінкі в рамках підготовки до повного комерційного запуску у 2019 році. Скандинавський провайдер, який має чималий досвід у впровадженні суперпрогресивних мобільних технологій, стверджує, що саме він «першим у світі» запустив комерційну мережу 4G наприкінці 2009 року.

Недавні оптимістичні заяви інших операторів, у тому числі Telecom Italia, BT, Swisscom і Telenor, щодо впровадження 5G свідчать про те, що зв’язок 5-ї генерації стане в Європі комерційною реальністю швидше, ніж передбачалося раніше. Фінський оператор Еліса навіть пішов далі, стверджуючи, що вже запустив комерційну мережу, хоча і без пристроїв, які її підтримують.

Ці амбіції сильно контрастують з більш обережним підходом основних телекомунікаційних груп, таких як Vodafone, Orange, Deutsche Telekom та Telefonica, які тільки заявили про намір виконати запуск комерційних мереж 5G у 2020 році. Тим не менше, після того, як мережі будуть впроваджені, мотивація привернути до них користувачів буде величезною, вважає Манн.

Основні технології

Досягнення поставлених показників роботи мереж п'ятого покоління потребуватиме використання нових технологій. Зокрема, очікується, що в мережах 5G буде використано такі технології:

Передавання даних радіохвилями у міліметровому діапазоні (буде обраний сегмент в діапазоні 30-300 ГГц).
Малі базові станції повинні розв'язати проблеми із швидким згасанням міліметрових хвиль. Очікується, що ці станції матимуть низьке енергоспоживання, малі габарити, будуть портативними а оператори стільникового зв'язку матимуть можливість встановлювати їх тисячами на відстані 250 м одна від одної.
Базові станції матимуть масиви MIMO. Технологія MIMO вже наявна в базових станціях 4G, але в них є лише 8 портів для передачі та 8 для отримання даних. В базових станціях 5G таких портів вже буде порядку кількох сотень.
Потреба у технології BeamForming продиктована проблемами з інтерференцією хвиль через збільшення портів вводу-виведення MIMO.
Передавання даних між абонентом та базовою станцією в режимі повного дуплексу.

Дослідження

Основні поняття, що були запропоновані в наукових роботах з обговорюванням бездротового зв'язку 4-го та 5-го поколінь: "IEEE Журнал по окремих районах у зв'язку" опублікував спеціальний випуск про 5G. Див питання в червні 2014 року, що містить, серед інших паперів, комплексне обстеження 5G дозволяє технології та рішення. IEEE Spectrum має свою історію (чи версію) про використання міліметрових хвиль для бездротового зв'язку в якості ефективного засобу для підтримки 5G.

Massive Dense Networks

Massive Dense Networks (Масивні Щільні мережі) також відомі як Масивна Розподілена MIMO, що забезпечує гнучкі зелені невеликі соти 5G. Це така точка передачі даних, що оснащена дуже великою кількістю антен, які служать одночасно кільком користувачам. З масивними MIMO безліч повідомлень передаються декільком терміналам на тому ж тимчасовому частотному ресурсі з максимальним посиленням діаграми спрямованості при мінімізації взаємних перешкод. (зрозуміти важко, а перекласти з англійкої майже unreal).

Група співпраці реле

Головною проблемою в мережі 4G систем є реалізація швидкої передачі даних в більшій частині соти, особливо для користувачів, що знаходяться між декількома базовими станціями. У сучасних дослідженнях, це питання вирішується за допомогою стільникових ретрансляторів і макро-різноманітність методів, що відомі як група співпраці реле, (також промінь множинний доступ з поділом).

Proactive content caching

"Випереджаюче кешування контенту на краю" є одним із способі досягнення більш високої ємкості та покриття під час ущільнення мережі (тобто, додавання нових сот). Стає очевидним, що вартість цієї операції не може бути постійною, адже щільне розгортання базових станцій також вимагає високошвидкісного зворотного транзиту даних. У зв'язку з цим, вважаючи, що нарощування зворотного транзиту є обмеженим, кешування даних користувачів на краю мережі (а саме в базових станцій і абонентських терміналів) може вирішити проблему розвантаження зворотного транзиту і зменшити затримки доступу до даних. В будь-якому разі, за допомогою кешування на краю пропонується вирішити проблему скорочення затримок відправки даних з одного кінця в інший, що є однією з вимог 5G.

Складність перешкод і мобільне управління

Складність перешкод і мобільне управління, досягається у співпрацею різних точок передачі даних з перекриваючим охопленням і можливістю гнучкого використання ресурсів для передачі по висхідній лінії і низхідній лінії зв'язку в кожному осередку, можливість прямої передачі пристрій-пристрій і передові методи зниження рівня перешкод.

Wireless network virtualization

Віртуалізація бездротових мереж буде продовжена до мобільних бездротових мереж 5-го покоління. За допомогою бездротової мережі віртуалізації, мережева інфраструктура може бути відділена від послуг, які вона надає, де різні послуги можуть співіснувати в одній інфраструктурі. Таким чином безліч бездротових віртуальних мереж будуть експлуатовуватись різними постачальниками послуг. Бездротова віртуалізація мережі дозволяє спільне використання інфраструктурного і радіочастотного спектру ресурсів, що може значно знизити вартість капітальних та експлуатаційних витрат бездротових мереж доступу. Крім того, мобільні оператори віртуальних мереж (віртуальні оператори), які можуть надавати деякі конкретні телекомунікаційні послуги (наприклад, VoIP, відео виклик, над самої верхньої послуг) можуть допомогти MNOs залучити більше користувачів, у той час як MNOs може отримувати більше доходу від лізингу окремих віртуальних мереж.

Cognitive radio technology

Когнітивна технологія радіозв'язку, також відома як смарт-радіо. Вона дозволяє різним радіо-технологіям використовувати один і той же спектр більш ефективно. Це досягається динамічним управлінням ресурсами радіо в розподіленому режимі, і покладається на радіозв'язок з програмованими параметрами.

Dynamic Adhoc Wireless Networks

Динамічні Adhoc бездротові мережі (децентралізована бездротова мережа, яка не має постійної структури), в основному ідентичні "Мобільній тимчасовій мережі" (MANET), "бездротовій сотовій мережі" (WMN) або "бездротовій мережі", в поєднанні з інтелектуальними антенами і гнучкої модуляції.

Vandermonde-subspace frequency division multiplexin g

Підпростір-Вандермонда з частотним поділом каналів (VFDM) представляє собою схему модуляції для співіснування макро-сот і радіо-когнітивних малих сот в дворівневій LTE/4G мережі.

Історія

Samsung (Корея)

В Samsung припускають обійти складності поглинання міліметрових хвиль, застосувавши спеціалізований масив антен. Компанією розроблений прототип системи з 64 антенами , розміром із сірникову коробку. Система управління прийомопередавачем здатна формувати динамічний сигнал шириною 10 градусів зі зміною напрямку передачі. Приймач і передавач будуть вибирати оптимальну траєкторію передачі сигналу за допомогою направленого пучка радіохвиль. При цьому, так як ці спрямовані пучки хвиль не перекриваються, можливе повторне використання частотного діапазону. Експериментальні оцінки показують, що система дозволить здійснювати обмін даними зі швидкістю більше 1 Гбіт/с з двома мобільними користувачами, що переміщаються зі швидкістю близько 8 км/ч. При цьому відстань стійкого прийому становить порядку 2 км при прямої видимості, і 200 м при її відсутності.

Експерти, відзначаючи перспективність використання міліметрових хвиль, відзначають, що вони, незважаючи на всі свої переваги, не зможуть замінити традиційні, низькочастотні мережі зв'язку. Так як радіус навряд чи буде більше декількох сотень метрів.

У Кореї розроблена і успішно продемонстрована нова мобільна телекомунікаційна технологія, яка дозволяє користувачам викачувати за допомогою мобільних терміналів дані на безпрецедентно високій швидкості.

Нова розробка, що отримала назву кочових Доступ до локальної бездротової зони (Нола) дозволяє викачувати інформацію зі швидкістю до 3,6 гігабіт на секунду. За словами розробників з корейського науково-дослідного Інституту електроніки та телекомунікацій, Нола може бути використана в якості базового рішення в майбутніх мережах 5 покоління (5G).

M2mi Corp (США)

Зокрема, в червні 2008 р. на конференції LinkedData Планета представниками компанії M2mi Corp (США) було приведено опис інфраструктури мережі, яку вони (можливо, всупереч сформованій термінології) назвали "5G". Зазначена мережа буде являти собою не що інше, як глобальну захищену уніфіковану широкосмугову мережу передачі даних. Як заявляється, на базі даного рішення M2mi корпорація зможе пропонувати на ринку зв'язку:

захищені бездротові служби даних (бездротові послуги передачі даних);
глобальні віртуальні приватні мережі (VPN);
можливість проведення фінансових операцій з мобільних телефонів;
мобільний хмарних обчислень.

Мережа "5G" складатиметься з двох основних елементів:

технологічні розробки компанії машина-машина розвідки (M2mi) Corp, звані "універсальним транслятором";
транспортна мережа на базі угруповання наносупутників, розробляється ваемих НАСА.

За словами виконавчого директора корпорації M2mi Джеффа Брауна, розробляються технології призначені для створення середовища, в якому мобільні пристрої бесшовно взаємодіють один з одним в єдиному просторі без втручання людини і без використання телекомунікаційного або Інтернет-з'єднання, лише за принципом сітки поверх Wi-Fi. Система "5G" буде поєднувати системи передачі голосу, відео, даних на основі IP-і Wi-Fi, а також інтелект машини до машини. Розробники стверджують, що рішенню будуть властиві безшовна захищеність, швидкісна і мережева гнучкість, стійкість. M2mi уніфікує інфраструктуру "5G" за допомогою власного програмного забезпечення, яке виступає в ролі автономного "універсального транслятора" між машинами.

За даними офіційного прес-релізу компанії НАСА, мережа "5G" буде реалізована на основі "транспортної" групи низькоорбітальних наносупутників, їх кількість може бути досить значним. Угруповання забезпечить глобальне космічне покриття нової високошвидкісної мережі для сучасних телекомунікацій. У рамках контракту, анонсованого в квітні 2008 р., НАСА у співпраці з M2mi розробить нове покоління компактних наносупутників вагою від 5 до 50 кг, що відрізняються низькою собівартістю і можливістю масового виробництва.

На думку розробників, рішення M2mi корпорації дозволять здійснити перехід від мереж 3G одразу до мереж "5G", заснованим одночасно на декількох передових технологіях.

Gigaclear (Британія)

Британська компанія Gigaclear в тестовому режимі почала підключати абонентів до надшвидкісної широкосмугової мережі. Про це повідомляється на сайті оператора.

За інформацією Gigaclear, швидкість завантаження даних в її мережі в 200 разів перевищує середні показники по Британії - наприклад, скачування відео розміром в півтора гігабайти забере у абонентів близько шести секунд (це відповідає середній швидкості 200 мегабайт в секунду). Випробувати нові швидкості поки що може лише невелике число абонентів. Серед них представники великого та середнього бізнесу, а також ряд домоволодінь в англійському графстві Оксфордшир.

Активно підключати клієнтів до нових мереж оператор почне з січня 2016 року. Щомісячна вартість послуги складе 399 фунтів стерлінгів (приблизно 14 133 рублів за курсом на 18 листопада 2015 р.) для приватних осіб і 1500 фунтів для підприємців (приблизно 45000 грн відповідно, за курсом на 18 листопада 2015).

Ericsson (Швеція)

У липні 2014 року, компанія Ericsson продемонструвала транспортування даних зі швидкістю 5 гігабіт на секунду через стільникову мережу 5G. Для отримання рекордних результатів використовувалися експериментальний радіо-інтерфейс і поліпшена технологія прийому і передачі інформації. Крім того, компанії довелося розробити нові антени, діючі в більш широкому діапазоні і мінімізують затримки в передачі даних, а також базові станції з модифікованою радіочастиною.

Порівняння стандартів