«Точка 5G: не делайте мне больно, господа!» (шпаргалка о технологии 5G, состояние и история вопроса в России)

Что такое 5G?

5G – это телекоммуникационная технология следующего поколения, которая является преемником предыдущих стандартов мобильной связи GSM (2G), UMTS (3G) и LTE (4G).

Новый стандарт выходит за рамки цифровой телефонии и быстрого мобильного интернета. Ключевой его целью, является снижение нагрузки на мобильные сети, в связи с ростом потребления мобильного трафика.

В теории технология 5G сможет обеспечить пиковую скорость передачи данных до 20 Гбит/с, что в 20 раз больше пикового значения 4G. Задержка сигнала составит менее одной миллисекунды, что позволит передавать данные в реальном режиме времени. Потребление энергии снизится на 90%, по сравнению с предыдущими поколениями беспроводной связи. А количество подключенных мобильных устройств вырастет в 100 раз на единицу площади (по сравнению с 4G).

Поэтому технология 5G стала ключевой частью инфраструктуры, необходимой для поддержания цифровой трансформации и развития экономики.

Возможности 5G

Благодаря своим техническим характеристикам, обеспечивающим сверхвысокую пропускную способность и низкую задержку передачи данных, новый стандарт мобильной связи позволил создавать разные сценарии использования уникальных возможностей искусственного интеллекта, расширенной реальности, граничных вычислений и Интернета вещей (Internet of Things, IoT). Также, 5G-технологии оказали значительное влияние на развитие таких отраслей, как интеллектуальная городская экосистема («умный» город), беспилотный транспорт, электронное здравоохранение и промышленное производство. А с учетом того, что на современном этапе цифровой трансформации всё больше внимания уделяется массовой интеграции передовых информационных технологий в различных отраслях экономики, спрос на высокоскоростную беспроводную/мобильную связь 5G с каждым годом только растет.

Рабочие диапазоны частот

По сравнению с LTE, для 5G используются новые диапазоны частот и гораздо больше приемо-передающих устройств. В то время как в LTE используются полосы частот ниже трех ГГц, диапазон 5G-частот достигает шести ГГц и расширяется за счет включения полосы частот от 24 ГГц до максимума в 100 ГГц. Это означает, что для передачи данных доступна широкая полоса пропускания.

Оптимальным диапазоном для развертывания 5G-сетей считается 3,4–3,8 ГГц, который используется мобильными операторами в большинстве зарубежных стран.

Основные технические решения для 5G

Одним из наиболее важных технических нововведений 5G является возможность разделения сети на сегменты, зависящие от конкретного приложения, исходя из требований и одновременного управления несколькими виртуализированными подсетями. Основой этого являются такие технологии, как виртуализация сетевых функций (Network Functions Virtualization, NFV) и программно-определяемые сети (Software-Defined Networking, SDN). Разделение на сегменты, также называют «нарезкой сети». Каждый слой или срез оптимизирован под конкретные услуги:

• усовершенствованная мобильная широкополосная связь (enhanced Mobile Broadband, eMBB) для максимально быстрого подключения и потоковой передачи видео со сверхвысоким разрешением;

• массовые межмашинные коммуникации (massive Machine Type Communication, mMTC) для максимального количества подключений при относительно низкой скорости передачи данных и низком энергопотреблении. Применим для Интернета вещей;

• сверхнадежная связь с низкой задержкой (Ultra Low Latency Reliable Communication, ULLRC), обеспечивает максимально надежные соединения с низкой задержкой для самоуправляемых транспортных средств и промышленной автоматизации.

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), ещё одна из ключевых технологий, которая позволит 5G достичь целевых показателей эффективности с точки зрения пользовательской и сетевой пропускной способности, надежности, маневренности и энергосбережения. Системы MIMO включают передовые достижения в области радиочастотных технологий, а также новые материалы, архитектуры антенн и методы обработки сигналов. При производстве антенных систем используются новые материалы и компоненты, такие как кремний на базе графена, кремний на базе карбида и кремний на базе нитрида.

Массивный MIMO (massive MIMO) – разновидность MIMO, в которой количество антенн базовой станции намного больше, чем количество пользовательских терминалов. Рассматриваются варианты базовых станций с антенными системами, формирующими порядка 250 лучей диаграммы направленности в рабочем секторе. В массивном MIMO используются многоэлементные цифровые антенные решётки. Пользователи могут свободно перемещаться между различными лучами и сотами без прерывания связи. Эти лучи могут принадлежать одной или разным точкам приёма-передачи (transmit-receive point, TRP) в одной и той же соте.

Преимущества 5G

Для промышленности и бизнеса:

• Улучшенная межмашинная связь (M2M) для автоматизации беспроводного подключения производственных роботов;

• Коммуникация в реальном времени как основа для связанного дорожного движения и беспилотных автомобилей;

• Гарантированная доступность сети для экстренных служб;

• Телемедицина (дополненная реальность, видеоподключение и интеллектуальные счетчики);

• Цифровое сельское хозяйство (дистанционное управление сельскохозяйственной техникой и использование цифровых технологий измерения и управления).

Для потребителей:

• Минимальное время загрузки или передачи файлов, потоковое видео.

• Малое время отклика для онлайн- или облачных игр;

• Лучшее покрытие и стабильность соединения на массовых мероприятиях или в транспорте;

• Улучшенная мобильная телефония (голосовая связь по 5G);

• Возможная альтернатива фиксированным сетям для гигабитного интернета.

Недостатки

Необходимо отметить, что использование высоких частот может повлечь за собой ограничения в эксплуатации мобильной инфраструктуры и вызвать некоторые проблемы, такие как увеличение интерференции, уменьшение зоны покрытия и снижение качества сигнала на больших расстояниях. Переход на миллиметровые диапазоны также означает, что беспроводные системы будут все больше полагаться на связь в пределах прямой видимости (Line Of Sight, LOS) и невозможность её установить будет сказываться на производительности мобильной системы.

Помимо этого, использование высоких частот влечет за собой развертывание более плотной структуры базовых станций и малых сот с активными антенными системами, для обеспечения бесперебойного и высокоскоростного подключения, что делает мобильную инфраструктуру достаточно дорогой. Высокая стоимость развертывания и модернизации инфраструктуры 5G увеличивает финансовую нагрузку на компании-операторы.

Малый объем получаемых телекоммуникационными компаниями доходов по сравнению с вложенными инвестициями влечет за собой замедление процессов разработки новых продуктов и услуг, а также улучшения уже существующих приложений. Данный фактор является следствием снижения интереса потребителей к услугам мобильной связи 5G и фиксированного беспроводного доступа, которые имеют низкий потенциал получения дохода. На это влияет то обстоятельство, что мобильные операторы до сих пор не смогли заменить 4G в полном объеме с точки зрения площади покрытия и пропускной способности (скорости передачи данных). Так, в 2022 году, среднее значение скорости загрузки данных в 5G-сетях, на ведущих мировых рынках, составило менее одного процента от пикового в 20 Гбит/с, установленного соответствующим стандартом. Из-за чего у пользователей значительно снизился интерес к большинству потребительских приложений на основе технологии беспроводной связи пятого поколения. Наиболее ощутимое падение фиксировалось в Норвегии, Швеции, Австралии и Великобритании.

Скорость 5G

В начале 2024 года средняя мировая скорость загрузки в сетях 5G составляла около 230 Мбит/с, что более чем в пять раз превышает показатель для 4G. Абсолютная скорость фиксируется в Республике Корея – 432,5 Мбит/с.

Ожидается, что весь потенциал нового стандарта, с пиковыми максимальными значениями, будет достигнут только в автономных сетях 5G SA (Stand Alone). Доступная на сегодняшний день технология 5G NSA (Non-Standalone, NSA), по-прежнему требует интеграции существующей сети 4G, поэтому она не может работать независимо.

Безопасность

Некоторые дополнительные механизмы защиты предназначены для того, чтобы сделать 5G значительно более безопасным по сравнению с предыдущими поколениями. Например, все сетевые компоненты защищены по отдельности с помощью инновационных криптографических решений. Если отдельные компоненты скомпрометированы, остальные остаются защищенными. В отличие от предыдущих поколений мобильной связи, международные идентификационные данные абонента мобильной связи (IMSI) также передаются в зашифрованном виде в сети 5G для устранения точек атаки с целью подслушивания (с использованием перехватчиков IMSI). В роуминге, когда устройство подключено к зарубежной сети, оно отправляет криптографическое подтверждение идентификации иностранного оператора сотовой связи местному оператору. Это подтверждение аутентификации гарантирует, что устройство подключено к распознанной сети и что данные, передаваемые по нему, остаются защищенными. Благодаря разделению сети на части можно также создавать виртуальные, специально защищенные сети для обмена конфиденциальными данными, такими как данные пациентов в больнице.

Какая ситуация с 5G в мире?

За прошедший пятилетний период, начиная с 2019 года, более 320 операторов связи в 97 странах запустили свои услуги 5G, инвестировав в них порядка 300 миллиардов долларов, 49 из них запустили автономные сети 5G SA и 74 оператора планируют это сделать. К середине 2024 года число абонентов мобильной связи 5G достигло 1,7 млрд, это около 21% населения планеты, причем только за первый квартал их число увеличилось на 160 миллионов. В распоряжении пользователей находится более 2300 моделей мобильных 5G-устройств на выбор. Если тенденция сохранится, то в 2029 году количество абонентов будет насчитывать 5,6 млрд, что превысит 60% всех мобильных подписок.

Согласно отчету международной ассоциации операторов связи GSMA, лидирующие позиции по значению индекса сетевого взаимодействия 5GI (5G Connectivity Index), который учитывает ряд показателей, разделенных на инфраструктуру и сервисы, заняли страны Персидского залива, Скандинавии и Азиатско-Тихоокеанского региона: Кувейт, ОАЭ, Норвегия, Финляндия, Катар, Дания, Гонконг (специальный административный район КНР), Республика Корея, Китай. На 10-й строчке находятся США.

По состоянию на конец 2023 года, 5G-сети покрывали около 90% территории Китая и 89% – Германии.

Состояние дел в России?

В Российской Федерации на сегодняшний день нет функционирующих массовых коммерческих 5G-сетей. Тем не менее, руководство государства рассматривает 5G как важный компонент экономического роста страны, внедрение которого будет способствовать технологическому прогрессу и инновациям в различных секторах экономики от промышленного производства до финансового сектора. Кроме этого, появление 5G окажет существенное влияние на развитие новых отраслей, повысив общую конкурентоспособность российской экономики на мировой арене. Поэтому, в начале декабря 2023 года правительство РФ утвердило «Стратегию развития отрасли связи в РФ на 2024–2035 годы», в соответствии с которой планируется развернуть защищённую информационную национальную инфраструктуру связи с внедрением современных инновационных решений.

Стратегия разработана Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ совместно с профильными ИТ-организациями, производителями телекоммуникационного оборудования и операторами связи. В документе предусматривается:

• к 2027 году осуществить полный отказ от стандарта связи 3G;

• к 2028 году создать инфраструктуру для сетей 5G в городах с численностью населения более одного миллиона жителей;

• к 2030 году развернуть 5G в городах с населением от 500 тысяч человек;

• в период с 2031 по 2035 год обеспечить доступ к 5G во всех городах с населением свыше 100 тысяч человек;

• средняя скорость мобильного интернета должна составлять не менее 125 Мбит/с.

• к 2035 году территории покрытия 5G должны охватывать 60% населения страны;

• с 2030 года начать развертывание сетей 6G-Ready;

• проведение обновления государственной орбитальной группировки спутников на геостационарных орбитах. Запланировано создание и выведение на орбиту 19 космических аппаратов связи, которые будут использоваться в сетях 5G.

Однако проблемы с реализацией стратегии возникли еще на этапе подготовки к запуску нового стандарта связи.

Ключевой проблемой стало выделение приоритетного частотного диапазона для работы 5G-сетей. Оптимальный диапазон частот 3,4-3,8 ГГц, в России занят Министерством обороны, ФСО и «Роскосмосом». Это связано с тем, что в этом диапазоне работают некоторые военные системы, такие как радиорелейные станции, радары средней дальности и спутниковая связь. Госкомиссия по радиочастотам неоднократно отклоняла заявки мобильных операторов на выделение частот в этом диапазоне.

Аналогичная проблема была и в США, где этот диапазон также принадлежит Министерству обороны, но Федеральная служба связи решила эту проблему, согласовав с военным ведомством выделение операторам связи для коммерческого использования полосу частот в 100 МГц.

В России же в результате было принято решение на выделение сотовым операторам частоты в диапазоне 4,8-4,99 ГГц, с дальнейшим расширением до 4,4–4,99 ГГц. Аналогичные диапазоны используются в США, Японии и Китае, но в очень редких случаях.

4,4–4,9 ГГц характеризуется быстрым затуханием радиосигнала и плохим проникновением через препятствия. У базовых станций, работающих в этом диапазоне, минимальный радиус покрытия, что требует увеличения их количества для покрытия определенной территории. Следовательно создание повсеместного покрытия нецелесообразно. Вероятнее всего, базовыми станциями будут оборудоваться места в крупных мегаполисах, в точках с максимальной концентрацией абонентов. Развертывание сети и эксплуатация инфраструктуры будут обходиться операторам в 2,5 раза дороже, чем при использовании менее высокочастотных диапазонов.

Ещё одной проблемой является резолюция Всемирной конференции радиосвязи (ВКР), принятая в 2019 году, согласно которой часть выделенного для российского 5G диапазона — 4,8–4,95 ГГц де-факто не может быть использована на территории страны. Дело в том, что упомянутая резолюция запрещает устанавливать базовые станции 5G, работающие в полосе 4,8–4,95 ГГц ближе 300 км от сухопутной границы и 450 км – от морской с целью защиты от помех сопредельных государств. По сути это может ограничивать использование 5G-сетей данного диапазона почти во всех крупных городах западной части России.

Кроме того, этот диапазон не является приоритетным для мировых производителей телекоммуникационного оборудования и мобильных устройств. А с учетом сложной геополитической ситуации и санкционной политики зарубежных стран, ситуация еще более усугубляется. Так, из трех ведущих производителей телекоммуникационного оборудования финская Nokia и шведская Ericsson полностью свернули свою работу в России, а китайская Huawei приостановила поставки оборудования в страну. Поэтому основным препятствием на пути развития сетей 5G в России является нехватка базовых станций, необходимых для обеспечения работы сети, что также сказывается на темпах развития уже существующих мобильных сетей связи.

Разработкой базовых станций 5G в России занимаются две компании: Yadro и Irtea. В настоящее время массовое производство такого оборудования отсутствует. Однако в январе 2023 года стало известно, что российские операторы связи заключили форвардные контракты с отечественными производителями на сумму более 100 млрд рублей. Ожидается, что массовое производство базовых станций начнется в 2025 году, а общий объем поставок до 2030 года предположительно составит около 75 тыс. станций. Необходимо отметить, что с 2028 года операторы будут обязаны закупать исключительно российские базовые станции.

Первые опытные отечественные образцы планируется использовать в ходе тестирования сетей 5G для апробации методов динамического управления спектром и совместимости с LTE. Государственная комиссия по радиочастотам определила регионы для такого тестирования. Пилотные проекты будут запущены в Москве, Санкт-Петербурге, Казани, Новосибирске, Нижнем Новгороде, а также в Московской и Ленинградской областях. Проведение исследований возложено на совместное предприятие «Новые цифровые решения», в которое входят мобильные операторы «МегаФон», «Вымпелком», «Ростелеком» и МТС.

Массовый запуск сетей начнется после завершения пилотных проектов, но не раньше 2026 года.