Все самое важное о будущем мире 5G: цифры, технологии, первые впечатления

За какие-то 20 лет из инструментов голосовой связи телефоны превратились в смартфоны, терминалы доступа в Сеть. Звоним мы теперь куда реже, чем общаемся онлайн, а если и звоним – то предпочитаем обходиться IP-связью. По большому счету, существующих скоростей всем достаточно, тем более что даже популярный стандарт LTE реализует возможности 4G еще не полностью и четвертому поколению есть куда расти и развиваться. Однако за это же время переменился и окружающий нас мир. На всех парах он движется вперед – и вот уже уличные знаки в крупных городах запрещают полеты дронов, и даже испытания беспилотных автомобилей вызывают мало интереса у публики.

Китайский Шэньчжэнь, с некоторых пор ставший Силиконовой долиной мировой электроники, позволил нам оценить все эти перспективы. Купить пачку чипсов в роботизированном магазине, за товарами и покупателями в котором присматривают видеокамеры с алгоритмами машинного зрения. Осмотреть детали городской инфраструктуры на огромном экране муниципальной системы управления и мониторинга. Перекусить блюдами местной кухни, приготовленными конвейером промышленных роботов; оценить качество видеостриминга в режиме реального времени в разрешении Ultra HD и, конечно, попробовать доставленный дроном латте. Именно эти абоненты из будущего – беспилотные автомобили и дроны, промышленные и бытовые роботы, системы «умного» дома и «умного» города – ждут появления следующего, уже пятого поколения сотовой связи.

Ожидается, что миллиарды неживых абонентов – дронов, роботизированных автомобилей, уличных датчиков, «умной» бытовой техники и т. п. – потребуют поддержки огромного количества постоянно подключенных устройств и минимальной (не более 1 мс) задержки сигнала, недоступной сетям предыдущего поколения. «Главное тут – это, конечно, сверхвысокие скорости, открывающие простор и для дополненной реальности, и для виртуальной», – объяснил нам эксперт в области мобильной связи Игорь Акулинин. Однако цель эта потребует обновления всей инфраструктуры связи, начиная от архитектуры базовой сети и до конечных терминалов, включая смартфоны. Никто не ожидает, что модернизация произойдет моментально, и в ближайшие годы сети 5G будут существовать параллельно с 4G, 3G и даже 2G. Тем не менее новые технологии обещают постепенный переход беспроводных коммуникаций на новый – уже пятый – уровень.

Как и над предыдущими поколениями сотовой связи, работу над 5G ведет международный консорциум 3GPP, объединяющий крупнейшие телекоммуникационные компании, технические организации и ассоциации. Сегодня в рамках 3GPP действуют три группы, вырабатывающие спецификации базовых сетей (CT), сервисов (SA) и беспроводной связи (RAN). Тем временем ведущие производители уже демонстрируют оборудование и смартфоны и даже развертывают первые сети 5G. В 2019–2020 годах этот процесс должен приобрести глобальный масштаб.

Российский «Союз LTE» предлагает выделить для сетей 5G три диапазона: 694–790 МГц, который позволит обеспечить покрытие за пределами городов; 3,4–3,8 ГГц – для мегаполисов и 24,25–29,5 ГГц – для точечного покрытия в местах наибольшего скопления людей. К сожалению, сегодня эти диапазоны большей частью заняты. В первом работают системы радиосвязи и спутниковых коммуникаций; миллиметровый диапазон (24,25–29,5 ГГц) занят межспутниковой связью и службами зондирования Земли. Полоса около 700 МГц используется аэропортами и телевидением. Постепенное сворачивание аналогового телевещания в России должно частично освободить нужный диапазон. Расчистить остальное пространство предлагается серией хитрых мер, от перевода части сервисов на другие частоты и до переноса некоторых станций космической связи за пределы городов, где сети 5G не будут мешать их работе.

Однако согласовать использование полос 3,4–3,8 ГГц и 24,25–29,5 ГГц не удается из-за сопротивления ФСО и Роскосмоса. С их точки зрения, перевод на альтернативные частоты уже использующихся систем связи – прежде всего спутниковой – выглядит почти нереализуемой задачей. Возможно, решить проблему позволит предложение Минкомсвязи: выделять нужные частоты не в масштабах всей страны, а на 5G-обслуживание конкретных зон, например «Сколково» или Москва-Сити. Пока же ситуация остается подвешенной, и использовать подходящие частоты (в полосе 3,4–3,8 МГц) может лишь «Мегафон», тестировавший свою 5G-сеть во время прошедшего летом 2018 года чемпионата мира по футболу.

«Множественный вход, множественный выход» (Multiple Input Multiple Output, MIMO) уже применяется для увеличения пропускной способности сетей LTE и Wi-Fi: прием и передача производятся с помощью системы из двух и более антенн, которые позволяют пересылать данные несколькими параллельными потоками. Развитием технологии в сетях 5G станет Massive MIMO, использующая на стороне базовой станции сотни антенн, организованных в фазированную антенную решетку (ФАР). Контролируя амплитуду и фазу сигнала каждой антенны, можно заставить их интерферировать друг с другом так, чтобы волны усиливались точно в области приемника. ФАР позволяет разбивать массив «физических» антенн на несколько работающих по отдельности «логических», подобно тому как пространство физического жесткого диска компьютера можно разделить на нужное число логических дисков.

Если обычная антенна излучает во все стороны, словно светящаяся лампочка, то работа ФАР напоминает скорее небольшой фонарик, узкий луч которого расходует энергию намного экономнее. Направленный сигнал может отражаться от окружающих предметов и достигать даже объектов за пределами прямой видимости. Такую возможность использует технология адаптивного формирования диаграммы направленности (Beamforming): регистрируя сигналы, приходящие на приемник различными путями, система автоматически вычисляет положение отправителя в пространстве. Даже если абоненты находятся в движении, технология отследит их перемещения и подберет оптимальный путь для связи с каждым из них, при необходимости отражая сигнал от стен или других препятствий.

Ради увеличения пропускной способности в сетях 4G могут использоваться малые точки доступа, доходящие в размерах до микро-, пико- и даже фемтосот. В отличие от привычных «полноразмерных» базовых станций, они способны охватить пространство радиусом лишь в сотни, а то и десятки метров и устанавливаются в тоннелях метро, внутри помещений, на улицах – невысоко на столбах и зданиях. В сетях 5G множество малых сот дополнят каждую крупную базовую станцию. Сети нового поколения будут использовать короткие диапазоны волн, способные распространяться не слишком далеко; радиус действия базовой станции оказывается невелик, и устанавливать их придется чаще.

Современной мобильной связи становится тесно в пределах выделенных частот, и сети 5G получают дополнительные частоты – теперь в более коротком, миллиметровом диапазоне радиоволн, от 30 до 300 ГГц. Их длина (1–10 мм) на порядок меньше, чем у обычных для мобильной связи сантиметровых волн. Они позволяют передавать больше данных, хотя распространяются совсем не так далеко и легко экранируются. Помочь в их передаче должно развертывание плотной сети малых сот. В малонаселенных местностях этот процесс может затянуться, однако инженеры уже работают над технологиями, позволяющими передавать микроволновый сигнал на большее расстояние, пока что вплоть до нескольких километров.

Ключевой участник создания технологий 5G, в 2018 году Huawei сильно пострадал от политизированного отношения к экономике и технологиям, от санкций со стороны западных стран и обвинений в шпионаже. Из «соображений безопасности» США, Индия и несколько других стран запретили Huawei поставку оборудования 5G. Тем не менее китайский гигант может похвастаться массой существенных патентов в этой области и более чем 20 контрактами с мобильными операторами на развертывание 5G-сетей по всему миру. Осенью 2018 года совместно с операторами-партнерами компания запустила опытную зону 5G в «Иннополисе» под Казанью, а в Москве испытала «голографическую связь» через сеть пятого поколения.

Патриарх телекоммуникаций, Qualcomm вовлечен в разработку всех аспектов 5G-технологий, от архитектуры базовых сетей до дизайна мобильных устройств. В 2016 году корпорация представила первый модем нового поколения X50 5G, а в 2018-м – антенны для смартфонов и платформу Snapdragon 855 с поддержкой 5G; ожидается, что она будет использоваться на флагманских моделях Samsung, Xiaomi и LG, которые появятся уже в 2019-м. В партнерстве с Samsung корпорация ведет разработку малых сот.

Глобальный лидер рынка смартфонов создает и предоставляет также оборудование для операторов связи. В 2018 году корпорация заключила соответствующие соглашения с крупными американскими провайдерами Verizon и AT&T и будет участвовать в развертывании их 5G-сервисов. И разумеется, она обеспечивает «родную» SK Telecom; в декабре 2018 года SKT и другие крупнейшие корейские операторы связи запустили сети 5G в коммерческую эксплуатацию.