Счастье с каждого столба

В жизни возможны только две трагедии:

первая – получить то, о чем мечтаешь,

вторая – не получить.

Оскар Уайльд

Александр Голышко, системный аналитик ГК «Техносерв», к. т. н.
Виталий Шуб, независимый эксперт, к. ф.-м. н.

Говорят, что развертывание сетей мобильной связи пятого поколения (5G) повлечет за собой революцию в скоростной передаче огромных объемов данных с невероятно низким уровнем задержек для миллиардов подключенных устройств в рамках развития Интернета вещей (IoT) и промышленного Интернета (IIoT). Это сейчас телекоммуникации ориентированы на обслуживание пользователей-людей, а через несколько лет мобильный широкополосный доступ должен будет удовлетворять потребности самых разнообразных устройств из IoT и IIoT.

 

Переход в новое измерение

В отличие от людей машины могут потреблять любые объемы информации, как, впрочем, и генерировать их за очень небольшое время. Основная задача, которая должна решаться сетями 5G, – это работа с максимально возможным количеством абонентских терминалов, обслуживаемых одновременно, с максимально возможной пропускной способностью и с минимальными задержками, в режиме реального времени. Во имя все тех же IoT/IIoT.

Радиоинтерфейс в сетях 5G NR (New Radio) специфицирован для диапазонов частот до 40 ГГц и базируется на различных вариантах технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) в сочетании с Massive MIMO.

Еще совсем недавно нам говорили, что настоящие сети 4G – это технология LTE плюс облака. Реальная жизнь быстро состарила данную формулу, зато наличие инфраструктуры 5G уже позиционируется не иначе как критически важный элемент цифровой экономики. И если стандарт 4G преподносился как эволюция предыдущих разрозненных стандартов к чему-то, наконец-то, единому, то будущий стандарт 5G должен стать замещением 2G/3G/4G новой инфраструктурой сетей 5G, построенной по новым инженерным правилам.

 

Фаза 0 (New Radio) и конечные цели

Переход к 5G будет осуществляться постепенно. В самом конце 2017 г. Консорциум 3rd Generation Partnership Project или 3GPP (специальный орган по стандартизации индустрии телекоммуникаций) на заседании, состоявшемся в Лиссабоне, утвердил (причем досрочно) первые спецификации стандарта Non-Standalone 5G New Radio (NSA 5G NR или NSA NR), обозначаемого как спецификация 3GPP – NSA 5G NR Release 15. Это и есть «фаза 0» стандарта 5G, называемая еще New Radio.

Собственно говоря, сейчас внедряется новый радиоинтерфейс, тогда как полноценного стандарта для построения сетей 5G еще нет. И хотя речь пока идет о начальных параметрах, а финал стандартизации 5G запланирован лишь на 2020 г., уже становится понятно, что сети нового поколения должны в некоторых существенных частях радикально отличаться от своих предшественников – наследованных сотовых сетях поколений с первого (Analog FDD) по четвертое (LTE).

Конечные цели при разработке 5G ранее обозначались так:

  • увеличение пропускной способности сети свыше 10 Гбит/с;
  • количество одновременных подключений – до 100 млн устройств на 1 км²;
  • обеспечение уменьшения задержки в сети до 1 мс;
  • выделение каждому сервису определенного сетевого ресурса пропускной способности.

 

Заявленные характеристики сети

Прежде всего, 5G NR является основой для сети 5G нового поколения, так же как LTE – для 4G. Это международный стандарт для нового радиоинтерфейса, который обеспечит поддержку всех мобильных устройств и сервисов сетей 5G и призван повысить производительность, эффективность, масштабируемость и гибкость имеющихся сотовых сетей.

5G NR подразумевает поддержку низких (600–2000 МГц), средних (2–6 ГГц) и высоких (до 90 ГГц) диапазонов радиочастот. При этом NSA 5G NR – промежуточный стандарт, описывающий возможность развертывания базовых станций 5G (gNB) вместе с уже существующими базовыми станциями 4G/LTE (eNB) и использования ядра сети LTE (EPC). Абонентская станция взаимодействует одновременно с базовой станцией LTE и базовой станцией 5G в режиме «двойного соединения» (dual-connectivity).

В случае неавтономной архитектуры NSA 5G NR сети базовые станции LTE должны поддерживать расширенные функциональные возможности для взаимодействия с базовыми станциями 5G, в частности, для передачи трафика управления для базовых станций 5G. В сети автономной архитектуры базовые станции 5G будут работать в связке с новой опорной сетью 5G (NGC).

Обещается, что характеристики полноценного стандарта 5G – Standalone 5G (SA), который придет на смену 4G/LTE, будут выработаны к лету текущего года. Как заявили на заседании в Лиссабоне представители компании Qualcomm, стандарты NSA 5G NR и SA 5G NR будут иметь общие спецификации физического слоя для радиоинтерфейса, что не потребует существенных дополнительных инвестиций со стороны операторов. В частности, еще предстоит большая работа, связанная с моделированием каналов и использованием нелицензируемого радиоспектра.

Как ожидается, средняя реальная скорость скачивания данных в 5G-сетях составит 100 Мбит/c, а загрузки – 50 Мбит/с. Время ожидания ответа сети – не более 4 мс (для 4G/LTE в реальных условиях – около 20 мс). На начальном этапе скорости обмена данными для пользовательских устройств нормируются на уровне до 20 Гбит/с от базовой станции и до 10 Гбит/с к базовой станции, при этом сеть 5G должна держать нагрузку не менее 500 тыс. абонентских подключений на 1 км² зоны обслуживания.

 

Massive MIMO

Жесткие ограничения на время реакции сети RTT (Round Trip Time) – порядка единиц миллисекунд в силу конечности скорости прохождения сигнала по радио-, оптическим и электрическим сетям – предъявляют новые требования к физической и логической топологии оптических транспортных сетей (Mobile Backhaul/Fronthaul) и размещению центров пакетной коммутации в них – максимально близко к базовым станциям и/или радиоголовкам, на расстоянии около 100 км. Это означает, что «deep fiber penetration» должно привести к максимально полной замене транспортной инфраструктуры  широкополосной оптической. Встречный процесс – внедрение широкополосных сверхвысокочастотных радиорелейных систем нового поколения в диапазонах E-Band (60 Ггц и более) – ограничен по применимости требованиями к прямой видимости трансиверов, малой длиной пролета (1–2 км) и ограничениями на количество пролетов вследствие накапливаемых при переприеме задержек сигнала.

Одним из кардинальных изменений в технологии 5G по сравнению с LTE является использование во всех релизах NR массивных многоантенных систем Massive MIMO (Massive Multiple-Input-Multiple-Output). Это антенные системы на базовых станциях с большим количеством (свыше восьми) управляемых антенн с узконаправленными лучами (и соответственно приемо-передающих трактов). Разумеется, в компактных абонентских терминалах столько антенн не используется, и в настоящее время в спецификации релиза 15 3GPP включено требование по поддержке как минимум четырех приемных и двух передающих антенн. Таким образом, технология Massive MIMO обеспечивает возможность сформировать фиксированный набор узконаправленных лучей, между которыми происходит переключение обслуживания абонентского терминала при перемещении последнего относительно базовой станции (как это обычно происходит в мобильной связи при переходе от ячейки к ячейке).

Massive MIMO позволяет также эффективно реализовать многопользовательские схемы MIMO (Multi User MIMO), когда несколько пользователей обслуживаются в разных пространственных сегментах, разных лучах диаграммы направленности антенны и им предоставляются одни и те же частотно-временные ресурсы радиоканала, т. е. по сути реализовать режим SDMA (Spatial Division Multiple Access), тем самым увеличив количество переменных параметров до возможного максимума (частота – время – код – координаты), а также число одновременно адресуемых абонентов и предоставляемых сервисов в одной соте.

 

Проблема с высокими частотами

Претензии систем 5G на практически весь частотный диапазон – от 400 МГц до 90 ГГц – вызывают много вопросов, особенно относительно применимости несущих частот в диапазонах 3,4–3,8 ГГц и выше, а также в диапазоне 20+ ГГц. Действительно, существует большая разница между лабораторными демонстрациями скоростей передачи на частотах 24 или 28 ГГц порядка единиц Гбит/с и выше при ширине полосы радиоканала 100 МГц и расстояниях между трансиверами в десятки метров в условиях прямой видимости и экономичным ковровым покрытием больших территорий с различными типами застройки в условиях непрямой видимости и железобетоном в стенах зданий. Уже сейчас операторы предупреждают, что уход в более высокие частоты приведет к повышению плотности числа базовых станций как минимум на порядок (буквально на каждом столбе). Вкупе с дополнительными расходами на более плотную, протяженную и высокоскоростную оптическую транспортную инфраструктуру, а также платой за новые частотные присвоения и эксплуатационные издержки это ляжет тяжким бременем на бизнес-кейсы операторов мобильной связи.

С учетом модной тенденции, уже проявившейся на уровне сетей 4G по технологии LTE (интеграции базовых станций/радиоголовок с системой городского освещения), имеет смысл подумать о проекции идеи интеграции телекоммуникационной и энергетической инфраструктур при переходе к сотовым системам 5G. Действительно, как и в случае с операторами фиксированного ПШПД, в силу развития рынка рынок МШПД еще более, а точнее, полностью технологически однороден, работая на базе единых глобальных стандартов GSM/WCDMA/HSPA/LTE. Фактически сейчас все операторы мобильной связи продают один и тот же сервисный продукт – голос плюс мобильный ШПД – по одним и тем же тарифам с единственным рыночным дифференциатором – паттернами локального покрытия сетей в населенных пунктах и на открытой местности (поля, леса, автотрассы и железные дороги).

Поскольку объекты инфраструктуры операторов мобильной связи – базовые станции – практически полностью привязаны к энергосети как единственному источнику круглосуточного электропитания, то логично было бы обеспечить использование энергетической инфраструктуры как универсальной платформы для высокоплотных сетей мобильной связи пятого поколения и выше. В этом случае рыночная функция операторов мобильной связи все более виртуализируется, оставляя на их долю в основном customer care. Здесь возникает фундаментальная проблема обеспечения высоких, мировых темпов развития и модернизации сотовых сетей и снижения тарифов путем стимуляции максимально высокого уровня конкуренции между операторами мобильной связи. Как это сделать при единой физической инфраструктуре – головоломная задача.

В связи с этим возникает весьма щекотливый вопрос относительно поистине огромного диапазона радиочастот, выделенного для систем 5G. Подобная всеядность 5G заставляет вернуться к проблеме экономически оправданного и максимально эффективного диапазона 450–800 МГц, в настоящее время все еще используемого для ЦЭТВ с непонятной и близкой к нулевой экономической и социальной эффективностью (например, в РФ – около 1 млн абонентов ЦЭТВ на всю страну) и вследствие этого активно переиспользуемого для систем сотовой связи 4G и будущего 5G в США.

Опыт недавней продажи радиочастот в диапазоне 600–700 МГц пулу американских операторов, в первую очередь компании T-Mobile, показывает, что это позволяет значительно улучшить покрытие сотовых сетей как в условиях плотной городской застройки, так и на открытой местности и магистралях, как внутри зданий и автомобилей, так и на улицах. Очевидно, что этот процесс рефарминга частотного спектра уже пошел и его невозможно остановить, по крайней мере там, где он экономически актуален, т. е. в больших странах с высокой степенью неоднородности и урбанизации населения, таких как США, Бразилия, РФ, Австралия, Канада. Наиболее правильным действием регулятора в сложившейся ситуации было бы проактивное перераспределение частот в этом диапазоне для нужд отечественных операторов мобильной связи.

 

Облачные технологии

5G – нечто большее, чем просто беспроводная сеть. По замыслу международного технологического сообщества, это первая попытка создания сети, реагирующей быстрее, чем люди, автопилоты самоуправляемых машин и дроны, а также технологические устройства. Чтобы воплотить такую концепцию в реальность, необходимо осуществить радикальную трансформацию сети и отказаться от статического оборудования с фиксированным функционированием в пользу виртуализованной программно-определяемой сети (сейчас этот процесс активно происходит в телекоме). Отраслевые лидеры рассчитывают на то, что 50% их сетей будут виртуализованными, что позволит снизить стоимость владения сетью и ускорить вывод на ней новых сервисов.

В исследовательских группах по радиодоступу в 3GPP рассматриваются варианты новой архитектуры в подсистеме радиодоступа для внедрения технологии облачных вычислений: средства цифровой обработки сигналов и управления базовой станции 5G располагаются в облаке, а приемопередающее радиооборудование – в ячейках сети.

Поскольку сети 5G будут оперировать огромными потоками трафика, необходимо оптимизировать нагрузку на транспортную сеть путем разделения функций между центральным узлом в облаке и базовыми станциями. В рамках 3GPP рассматривалось несколько вариантов такой оптимизации, но консенсуса по разделению функций не получилось.

Также нет консенсуса и по архитектуре и принципам построения транспортной сети –  Mobile Front Haul и Mobile Back Haul. Предлагаемые в настоящее время варианты построения этого сегмента оптоволоконных сетей, которые должны обеспечить требуемое сочетание пропускной способности и времени быстродействия подсети, не стандартизированы и принципиально отличаются у различных производителей (например, Time Sensitive Ethernet или CPRI). Налицо фундаментальная проблема стандартизации сотовых сетей, возникшая уже четверть века назад, со времен первых стандартов GSM, – фактическая капитализация производителей полных линеек оборудования путем сохранения проприетарности интерфейсов и закрытия этой части линейки оборудования для конкурентов.

 

Пропускная способность новых сетей

Следует отметить, что, как и в случае прихода предыдущих поколений сотовой связи – третьего на базе WCDMA и четвертого на базе OFDMA, существует неопределенность в плане финальной архитектуры и топологии сетей 5G и реальных параметров их функционирования. Достаточно вспомнить, что и раньше создатели этих технологий обещали «полную и окончательную победу сил технического прогресса над тьмой технологической отсталости и невежества». Однако в силу того простого факта, что все сети сотовой связи являются сетями делимого ресурса, при развертывании очередного поколения и заполнении сетей абонентскими терминалами происходил скачок заселенности сот и наблюдалось резкое падение средних скоростей доступа в радиоканале. Ситуация развивается по принципу «спрос опережает предложение» – возникают новые, «тяжелые» приложения, разработанные специально под новый стандарт, которые и забивают все соты своим трафиком.

«Проклятием» всех сотовых сетей стал и будет оставаться видеотрафик. Несмотря на то что каждый новый видеокодек (MPEG-2, MPEG-4, MPEG-5, условно говоря) раз в семь-десять лет обеспечивает двукратное повышение эффективности видеокомпрессии, все ускоряющаяся гонка разрешений видеокартинки (SD, HD, FHD, UHD, S-UHD) в совокупности с увеличением битности цвета (HDR) приводит к еще более быстрому наращиванию «веса» видеофайлов и видеопотоков.

В настоящее время сотовые сети классов HSPA и LTE забиты «тяжелым» видеотрафиком – линейным и интерактивным, как правило, с разрешением SD, HD и FHD. На подходе – UHD (4K) и S-UHD (8K и выше). Поэтому ожидать чуда и мгновенной разгрузки сотовых сетей 5G не приходится. При достижении проникновения терминалов 5G определенного порогового значения средние скорости передачи неминуемо снизятся, причем резко.

Для решения этой проблемы, при непрерывно ухудшающемся бизнес-кейсе сотового оператора из-за непропорционально высоких значений ОРЕХ и САРЕХ, требуемых на модернизацию сетей, при нулевом инкрементальном росте тарифов на сотовую связь, необходимы новые, прорывные идеи.

 

Завтрашний день сетей радиодоступа

Дальнейшее развитие операторов мобильной связи возможно при нахождении таких технических решений построения сотовых сетей, которые по сути своей будут методами радиодоступа копировать существующие техническую и бизнес-модели операторов проводного ШПД, а именно – реальную «выделенность» линии доступа до конечного абонента и предоставление ему безлимита по трафику, т. е. того, на чем сломались излишне оптимистичные операторы мобильной связи при введении в строй сетей 4G.

Сегодня существует колоссальный и кажущийся абсурдным разрыв между декларируемыми пиковыми скоростями скачивания в сотовых сетях (десятки мегабит в секунду на абонента) и предоставляемым этому абоненту лимитом сотового трафика (на уровне от единиц до десятков гигабайт). Несложный подсчет показывает, что «неслыханная щедрость» оператора должна кончаться при расходовании всего месячного лимита в течение десятков минут – одного часа. А что абонент должен делать в оставшееся время? Только реальная, очень низкая скорость скачивания в современных сетях 4G (в силу их естественной деградации из-за высокого проникновения соответствующих терминалов) удерживает абонентов от подобных неприятных вопросов. Изменится ли что-нибудь, когда базовые станции будут на каждом столбе?

Возможно, внедрение «новых физических принципов» типа модуляции оптического углового момента (Optical Angular Moment) или других физических либо технических трюков позволит разрешить эту дилемму. Но в любом случае именно реальные бизнес-кейсы операторов и будут формировать ту самую бритву Оккама, срезающую излишние бизнес-сущности.

Интересно, кстати, каким будет следующее поколение мобильной связи?

 

 

Поделиться:
Спецпроект

Напряженный трафик или Современные требования к инфраструктуре ЦОД

Подробнее
Спецпроект

Специальный проект "Групповой спутниковый канал для территориально-распределенной сети связи"

Подробнее

Подпишитесь
на нашу рассылку