Більшості сучасних гаджетів потрібен інтернет і підключаються вони до нього бездротовим способом, за допомогою радіохвиль. Сукупність параметрів цих радіохвиль, технологія передачі і протоколи, за якими дані шифруються в звук, відео або текст - називається стандартом мобільного зв'язку.
Все почалося зі стандарту 1G, згодом технологія поступово вдосконалювалася. G – в назві, перша буква від англійського слова Generation – покоління. Зараз, в Україні і значній частини інших країн найбільш поширений стандарт 4G. Уже розроблений і поступово впроваджується 5G, повний перехід на котрий заплановано до 2030-2035. Тим часом вчені вже розробили технічну документацію з передбачуваними можливостями і особливостями 6G стандарту, але його появи поки не анонсовано.
Зміст:
Еволюція стандартів телефонії та бездротової передачі даних
Всі мережі першого стандарту мобільного телефонії 1G були аналоговими і дозволяли передавати лише звуковий сигнал. Перші стільникові телефони і мережі для їх обслуговування з'явилися в США і Канаді, трохи пізніше свої аналоги розробили європейські країни. Частота роботи цих мереж була від 120 до 900 МГц.
Стандарт 2G, розроблений в 1992 використовував цифрову передачу даних. Стала можливою передача тексту. Для передачі інформації використовували протоколи GPRS* (до 53,6 Кб/сек) або EDGE ** (до 200 Кб / сек) залежно від конкретного оператора і технічного оснащення його мережі. За сьогоднішніми мірками це вкрай повільно. Повноцінну інтернет сторінку 2G не “тягнув" доводилося користуватися "полегшеними" wap-сайтами.
У 2000 році з'явився 3G – стандарт мобільного радіозв'язку що називався UMTS. Він дозволяв розвинути швидкість передачі даних до 384 кбіт/с. Пізніше були розроблені HSDPA і HSDPA + – оновлення стандарту 3.5G, що давали змогу досягнути 7,2 Мбіт/с і 42 Мбіт/с відповідно.
* GPRS – надбудова над технологією мобільного зв'язку GSM, що може здійснювати пакетну передачу даних. Тарифікація за її використання відбувалася за обсягом отриманих та відправлених даних;
** EDGE – цифрова технологія бездротової передачі даних, що функціонувала в декотрих мережах 2G і 2.5G, вона тарифікуватися за аналогією з GPRS
Відмінності між актуальними стандартами зв’язку
У даній таблиці ми наводимо основні відмінності між мережами трьох поколінь - 4G, що поволі відходить, 5G, що поступово набирає актуальність, і 6G, розробка якого у близькій перспективі. Далі, ми розберемо ці відмінності детальніше, і пояснимо з чим пов'язане кількісне зростання основних параметрів.
Параметри/стандарт | 4G | 5G | 6G |
|---|---|---|---|
Використовувані частоти радіосигналу, ГГц | 6 | 20-300 | 20-300 |
Максимальна швидкість, Гб/сек | 1 | 10-35 | 1000 |
Час затримки | 20-30 мс | до 10 мс | менш ніж 100 мкс |
Кількість підключень на 1 км² | до 100 тис. пристроїв | до 1 млн пристроїв | поки невідомо |
Максимальна швидкість переміщення без втрати сигналу, км/год | до 120 | до 350 | поки невідомо |
4G – найбільш поширений стандарт зв'язку
Розробки з впровадження 4G почалися ще у 2000, до впровадження третього покоління. Піонером на цьому напрямку були концерни Hewlett-Packard і NTT DoCoMo, також над цим працювала корпорація Ericsson.
Вперше в бізнес-сегменті технологія 4G на базі стандарту LTE була запущена в Осло і Стокгольмі в 2009, Через рік в Норвегії і Швеції зона покриття розширилася ще на 30 міст.
Зараз цей стандарт використовується всіма українськими мобільними операторами, вся інфраструктура зв'язку побудована на ньому. В Україні для 4G виділено частотний діапазон 1,8 ГГц. Стандарт підтримують всі випущені після після 2012 гаджети. Максимально можлива швидкість передачі даних - 1000 Мбіт/сек, але, на практиці ви отримаєте близько 100 Мбіт/с в кращому випадку, навіть якщо оператор заявляє, наприклад, 150 Мб/сек (через втрати при передачі, і надмірну кількість пристроїв, що підключаються до мережі на один км² і т.д).
Крім вже згаданих швидкісних показників є ще кілька критеріїв за якими мережі відносять до групи 4G:
комутація пакетів з використанням IP-технологій;
швидкість передачі даних зберігається навіть для тих користувачів, які переміщуються зі швидкістю від 10 до 120 км/год;
працює динамічний розподіл мережевих ресурсів для оптимізації одноразових підключень до одного ретранслятора (вишці);
підтримка плавного переходу абонента від однієї базової станції до іншої без пропажі сигналу .
Для прийому / передачі даних використовуються USB модеми з підтримкою 4G або маршрутизатори. При цьому передача сигналу здійснюється по WiFi мережі на частотах 2,4 або 5 ГГц. Радіочипи для прийому/трансляції на стандарті 4G зустрічаються у планшетах, мобільних телефонах, Smart-годинниках.
Сфери застосування:
сфера безпеки. Системи цифрового наведення,
медицина;
охорона громадського порядку;
логістика;
приватний сектор.
5G – майбутнє що стрімко наближається
Перші дослідження з розробки нового стандарту почалися ще в 2008. А до 2012 у Великобританії заснували дослідницький центр 5G, з перспективою заміни 4G (передбачувано через 10 років). У травні 2013 Samsung Electronics повідомила про створення апаратної бази для 5G-системи. Перші тестування показали швидкість передачі даних на рівні 1.056 Гбіт/с (на відстань в 2 км від джерела радіосигналу). Наприкінці 2016 компанія Qualcomm презентувала перший мобільний модем з підтримкою 5G. У тому ж році нові тести показали швидкість передачі в 5 Гбіт/сек, чого виявилося достатньо для трансляції потокового відео у роздільній здатності 8K Ultra HD.
Єдиний глобальний стандарт
При підготовці до розгортання мереж п'ятого покоління ряд міжнародних організацій веде активну роботу з розробки єдиного стандарту, якого не було у випадку з 4G LTE. Такі дослідження проводять:
3GPP – заснований для стандартизації 3G консорціум, зараз працює над уніфікацією 5G для потреб корпоративного сегмента бездротового зв'язку;
ITU-R – підрозділ ООН, що відповідає за комунікаційно -інформаційні технології. Тут працюють над стандартизацією радіозв'язку і здійснюють управління міжнародним спектром радіочастот. Саме в ITU-R, в 2015, сформулювали основи стандарту IMT-2020 з вимогами до нової технології та її апаратного забезпечення.
Частотний діапазон апаратури, що працює зі стандартом 5G
Більшість новин у пресі обіцяють нам частоти 3,4-3,8 ГГц і склалася думка, що всі 5G мережі будуть працювати саме в цьому діапазоні. Але це не так, використовуватися будуть і низькі частоти, і навіть надвисокі, аж до 70 ГГц.
Перехід в ці діапазони не випадковий – у спектрі нижче 6 ГГц спостерігається гостра нестача частот, їх займають військові , медики, комунальні служби.
Всього виділяють два частотні діапазони:
Frequency Range 1 або діапазон sub-6 GHz. Тобто все що нижче 6 ГГц. Причому в цьому спектрі проявляється ще одна перевага 5G, на тих самих хвилях що і LTE нові мережі будуть на 30% ефективніші. Це досягається за рахунок удосконалення технології кодування сигналу;
Frequency Range 2 – освоєння нових частот міліметрового діапазону. Тут нижня межа 24 ГГц, а стеля ~ 50-70 ГГц (розкид залежить від апаратних можливостей конкретного оператора і країни). Дальність розповсюдження цих хвиль досить мала і їх поширення забезпечуватимуть Small cells – малі стільники. Вони, частково, візьмуть на себе роль колишніх базових станцій – що покривали радіус в десятки кілометрів.
Ширина смуги сигналу
Цей параметр визначає максимальний обсяг даних, котрий ми можемо передавати і приймати за одиницю часу. Зараз в LTE виділяють смуги в 5,10, 20 МГц, які об'єднуються в канали до 100 МГц в сумі. Коли частотний діапазон sub-6Ghz буде переорієнтований на 5G, одну смугу можна буде розширити до 100 МГц, а в міліметровому діапазоні, від початку, можна буде створювати канали від 300 до 800 МГц. Збільшення ширини частотної смуги дасть істотний приріст швидкодії.
Як усі ці частоти будуть використані у концепції 5G
В основі протоколів, на яких буде побудований новий стандарт зв'язку, лежить концепція Network slicing – вона полягає в розподілі ресурсів мережі відповідно до потреб різних сегментів її користувачів. Апаратна інфраструктура (фізична), що забезпечує функціонування мереж, ділиться на віртуальні платформи, кожна з яких повинна задіяти ресурси і технології необхідні для вирішення завдань конкретної групи користувачів.
За стандартом IMT-2020 базових сценаріїв використання усього 3:
eMBB – Enhanced Mobile Broadband/Покращений Мобільний Широкосмуговий зв'язок. У приміщеннях будуть доступні швидкості до 1 Гб/сек, на відкритому просторі до 300 Мб/сек. Але ці швидкості будуть доступні тільки коли почнуть встановлювати вже згадані Small Cells – антени, що працюють в міліметровому діапазоні (mmWave). Вони мініатюрні, і легко розміщуються на ліхтарних стовпах, деревах, стінах будівель не впливаючи на ландшафт;
URLLC – Ultra Reliable and Low Latency Communications/Наднадійні комунікації з низькою затримкою. Цей сегмент важливий там, де пріоритетна саме низька затримка сигналу – для авто пілотованого транспорту, наприклад, де в аварійній ситуації на прийняття рішення виділені мілісекунди. Ця технологія повинна незабаром замінити супутникову навігацію. Використовувати її будуть також в логістичних блокчейн-мережах, що відстежують шлях товару від виробництва до споживача;
мMTC – massive Machine Type Communication/Масові міжмашинні комунікації. Міжмашинні комунікації (M2M), а також IoT (Internet of Things – інтернет речей) – окремий сегмент, що використовує підключення до мереж 5G пристроїв. Тут акцент вже робиться на стабільність і безперервність підключення. Мова про датчики, сенсори та всі вимірювальні прилади, що використовуються в інфраструктурі "розумного будинку/міста".
Також, для хвиль різної довжини найкраще пасують певні сценарії:
низькі частоти 0,5-1 ГГц найкраще проникають в закриті приміщення. Саме вони забезпечуватимуть безперебійну роботу IoT в будинках майбутнього, а також M2M взаємодія на виробництвах;
середній спектр (mid-band frequencies) – від 1 до 6 ГГц оптимальний для початкового впровадження eMBB, а далі й URLLC з mMTC;
міліметрові хвилі (більше 24 ГГц) покриють всі сегменти використання 5G в місцях найбільш завантажених по трафіку (Hot spot). Маються на увазі великі скупчення користувачів в мегаполісах, індустріальних зонах, на розважальних майданчиках.
Переваги стандарту зв’язку 5G
На перший погляд головна відмінність від 4G саме в швидкості – вона помітно вища, нижчі затримки, можна передавати вже згаданий 8K-контент і саме підключення буде в рази швидшим. Там де завантаження стандартної інтернет-сторінки була дуже швидким – з 5G воно стане миттєвим, людському оку важко буде відстежити зміни.
У багатьох користувачів домашня мережа, що працює через WiFi-роутер пропонує швидкості від 20-ти до 80 Мбіт/сек, а найдорожчі тарифні плани пропонують 1-2 Гб/сек. А це тільки початок можливостей 5G стандартів. Чи потрібні подібні швидкості більшості користувачів, якщо їм вистачає домашнього широкосмугового інтернету?
Швидше за все, питання буде стояти інакше. В майбутньому багатьом вигідніше буде купити спеціальний 5G маршрутизатор з сім-картою провайдера і роздавати інтернет на домашні пристрої швидше, ніж зараз на це здатне актуальне підключення через Ethernet кабель. Таким чином мобільні провайдери можуть відвоювати цю нішу у місцевих компаній там, де немає конкуренції і ціни у єдиного доступного оператора інтернету сильно завищені.
Але це тільки вершина айсберга і з найважливіших переваг 5G варто виділити кілька основних:
збільшення кількості пристроїв, що підключаються одноразово - до мільйона на квадратний кілометр (проти 100 тисяч пристроїв у 4G). Для користувача мобільного зв'язку це навряд чи може стати проблемою, хіба що він потрапить на концерт всесвітньо відомої групи на стадіоні і тільки тоді зможе відчути просідання сигналу передачі. Але одне з головних передбачуваних сфер застосування 5G – інтернет речей. І тут ця особливість, котра збільшує в 10 разів щільність пристроїв, що підключаються на одиницю площі стане вирішальною. Адже навіть на 10 квадратних метрах квартири майбутнього може розміщуватися 2-3 десятка гаджетів, які активно використовують підключення до хмари через інтернет. Тут таки варто згадати і безпілотні автомобілі, що використовують для навігації GPS нового покоління, сигнал якого поширюється набагато швидше;
оптимізація передачі сигналу. 4G-антени і підсилювальні станції мають ККД набагато нижчий ніж у 5G вишок. Коли стандарт попереднього покоління направляє радіосигнал на певну площу, витрачаючи енергію даремно, 5G випромінювач націлюється на конкретні пристрої – оптимізуючи невиправдані втрати;
висока енергоефективність. У порівнянні з LTE новий стандарт споживатиме майже на чверть менше електроенергії для прийому-передачі сигналу. Ця перевага логічно випливає з попереднього пункту і вона буде вирішальною для мобільних пристроїв нового покоління, де йде боротьба за кожну хвилину автономної роботи. Так смартфон з 5G модулем буде витрачати приблизно на 20% менше енергії в режимі веб-серфінгу.
Можливості з застосунку 5G
Насправді спектр застосування технологій 5G настільки широкий, що перерахувати всі можливості в рамках одного матеріалу практично нереально. Тому ми виділимо тільки визначальні напрямки:
Інтернет речей (IoT). Реалізує концепції "розумного будинку" і "розумного міста" – всі пристрої і системи користувачів об'єднуються в загальну мережу з віддаленим керуванням і постійним адмініструванням. У випадку розумного будинку це техніка, побутові прилади, вимикачі, лампи, системи кондиціонування, обігріву і т.д. На індустріальних об'єктах і в міській інфраструктурі це всі вимірювальні прилади, камери, верстати – доступ до них забезпечать швидкі ЦОДи, що забезпечують роботу сервісів обслуговування міського транспорту, надання адмінпослуг тощо;
безпілотний транспорт. З появою і розвитком 5G зміниться до невпізнавання сфера логістики. Вантажоперевезення можуть стати повністю автономними, безпілотники будуть використовуватися в міських таксі, не знадобляться оператори для роботі сільгосптехніки;
хмарні технології. Тут перспективи дійсно величезні. Йдеться про те, щоб запускати на смартфоні середньої потужності професійні програми з хмари, які використовують ресурси потужного сервера, а не вашого пристрою. Наприклад, nVidia вже представила 3 роками раніше хмарний сервіс, що дозволяє грати в новітні ігри навіть на відносно слабких ноутбуках. Можливості хмарного геймінга тоді були обмежені саме пропускною спроможністю 4G, зараз цей ліміт вже не буде проблемою. І мова не лише про ігри – всі користувачі можуть зі смартфона здійснювати операції, що вимагають високої апаратної потужності – це відкриває нові горизонти для бізнесу, корпоративного управління, мережевого адміністрування і т.д;
охорона здоров'я.Швидкий та якісний зв'язок навіть з найвіддаленіших регіоном дасть можливість отримати екстрену допомогу від медиків за будь-яких непередбачуваних обставин. Також, висока швидкість 5G дозволить проводити віддалені операції найдосвідченішим хірургам незалежно від місцезнаходження по досконалому 8K відеозв'язку. І, якщо в побутових завданнях, настільки висока швидкість інтернету надлишкова, то в мікрохірургії це нагальна потреба. Також можливе створення централізованої бази даних з фітнес-трекерів, що допоможе вашому сімейному терапевту помітити збої в роботі організму на ранній стадії автоматично;
віртуальна та доповнена реальність (VR/AR). Тут мова теж не стільки про розваги, але про інтерактивне навчання нової генерації – це здешевить підготовку кадрів в астронавтиці, авіації, складних інженерних галузях.
Скоро в Україні
У нашій країні розгортання мереж 5G заплановано на 2022. План з їх впровадження вже затвердили в міністерстві цифровий трансформації. Згідно з цим планом під роботу оновлених мереж 5G виділять частотні діапазони двох видів: низькі – близько 700 МГц і високі 3,4-3,8 ГГц. Відповідно до Угоди про асоціацію з ЄС Україна зобов'язана привести своє законодавство у відповідності саме з цими діапазонами частот, які використовуються також у всій Європі.
Уже затверджено дорожню карту і до грудня 2021 повинні пройти тендери на частоти для розвитку 5G. Після тендеру планується видача ліцензій операторам, щоб на початку 2022 вони могли почати розгортання інфраструктури.
Як підготуватися до появи 5G мереж в нашій країні
На роздрібному ринку вже з'явилися маршрутизатори, модеми та деякі гаджети з підтримкою 5G. Але, перш за все, новий стандарт буде найбільш актуальним для смартфонів. Мобільних з підтримкою 5G вже досить багато – це моделі від провідних брендів: Apple, Samsung, Xiaomi, ASUS.
Як і у випадку з 4G, свого часу, скоріш за все доведеться замінити у оператора сім-карту, щойно провайдери закінчать розгортання мережі в Україні.
6G мережі у найближчому майбутньому?
В 2019 оператори усіх провідних країн завершили розробку документу під назвою “Deliverable: «New Services and Capabilities for Network 2030: Description, Technical Gap and Performance Target Analysis”. У ньому викладено приблизні параметри майбутнього стандарту зв'язку.
Станом на початок 2020 до складу об'єднання 6G/NET-2030 входять кілька дослідницьких груп, чиї зусилля спрямовані на розробку тих технології, які не можна було реалізувати в рамках впровадження мереж 5G/IMT-2020.
Серед цих організацій американський міжуніверситетський проект ComSenTer, фінська дослідницька група Оулу, яка вже оголосила про запуск першого тестового сегмента інфраструктури 6 Genesis і китайський Southeast University з провінції Цзянсу.
Передбачається що новий стандарт буде використовувати терагерцовий і субтерагерцовий діапазони частот, що зменшить латентність (рівень затримки) приблизно в 10 разів. Це дасть нам швидкості від 100 Гбіт/с до 1 Тб/сек, що, в свою чергу, наблизить створення мереж керованих штучним інтелектом.
На заході під назвою “Huawei Global Analyst” один з інженерів компанії Чжіцзюнь озвучив приблизні терміни запуску нового стандарту 6G. Це станеться на початку 2030. Також, Huawei пообіцяла незабаром надати технічний документ, котрий аналізує перспективи нового стандарту зв'язку. З прогнозами топ-менеджменту Huawei згодні і аналітики Bloomberg, які також прогнозують появу 6G мереж в 2030.
Підсумки
Розвиток стандартів зв'язку – одна з визначальних віх нашого прогресу. Це пов'язано з тим, що у швидкість і надійність обміну даними впираються можливості всіх автоматизованих систем. Інтернет речей, безпілотний транспорт, хмарні сервіси майбутнього, більш досконала медицина, розумні будинки і міста – все це стане ближчим з впровадженням 5G. А з появою 6G напевно з'являться ще якісь нові можливості.