Технологии и перспективы Connected Car и 5G

 

Владимир Леоненко, генеральный директор Лео&Ko (Телеком и ИТ Консалтинг)

Подключенный автомобиль (Connected Car) в развитии индустриальных решений и применении технологий сетей 5G является одним из наиболее интересных и показательных случаев и не только как заметный маркетинговый и PR ход, но и как коммерческой пример развития технологий. Кроме того, интересно рассмотреть Connected Car сквозь призму развернувшейся в конце прошлого года дискуссии о концепции внедрения сетей пятого поколения в России и обсуждения консорциума по созданию инфраструктурного оператора.

 

Тенденции и первые результаты

Мобильные технологии существенно меняют окружающую среду и бизнес-модели, проникая во все отрасли, в том числе автомобильную промышленность.

Технологии подключенного автомобиля – это естественная эволюция автомобильного рынка, которая диктует свои требования и автопроизводителям, и страховым и телематическим операторам. По прогнозу PricewaterhouseCoopers, к 2022 г. в России будет 2,26 млн подключенных автомобилей. Такие перспективы роста обусловлены в первую очередь высокой востребованностью сервисов Connected Car среди и автовладельцев, и автодилеров, и производителей. Компания Technavio недавно опубликовала исследовательский отчет (https://www.technavio.com/), согласно которому глобальный рынок подключенных автомобилей к 2020 г. достигнет 144,95 млрд долл. и будет расти в среднем более чем на 32%. Повышается спрос на услуги бортовой связи и телематики. Это привело к технологическим разработкам, направленным на «улучшение жизни» в автомобиле для водителей и пассажиров.

Уже сейчас формируются вертикальные альянсы между разработчиками оборудования, производителями автомобилей и операторами связи. Проводятся тесты беспроводных автомобилей в доступных для этого сетях, планируется их коммерческое использование при развертывании полномасштабных сетей 5G. Например, «КамАЗ» уже тесно работает над концепцией Connected Car с компанией Huawei, которая совместно с Audi также проводит всестороннее испытание технологий LTE-V2X в рамках организации 5GAA. В создании демонстрационной зоны в Сычуани участвовали 14 китайских и семь немецких компаний. Всего 64 института и компаний из разных стран мира и различных индустрий подписали меморандум о сотрудничестве.

«КамАЗ» и «МегаФон» выпустили беспилотный электромобиль, работающий в сети 5G. Шаттл был подключен к сети пятого поколения сотовой связи (5G), развернутой «МегаФоном» при проведении Чемпионата мира по футболу. «МегаФон» получил от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) частоты в диапазонах 3,8 ГГц и 25,25–29,5 ГГц в 11 городах, где проходил Чемпионат. Телеметрическая информация и видеосигнал в режиме реального времени транслировались при помощи предкоммерческого E2E-решения для сетей 5G компании Huawei, развернутого на тестовой сети «МегаФона». Для обеспечения радиопокрытия пилотной зоны были задействованы базовая станция с технологией радиодоступа 5G New Radio (NR), опорная сеть нового поколения с поддержкой функциональности New Generation Core (NGC) и абонентский терминал (CPE) 5G с чипсетом разработки Huawei. Данные, контролирующие процесс движения транспортного средства, передавались со скоростью 1,2 Гбит/с с минимальной задержкой 6–8 мс.

 

Рис. 1

Над созданием беспилотного автомобиля с 2017 г. начал работать в том числе и «Яндекс». Компания использовала свои наработки в области навигации и опыт в составлении карт. Кроме того, «Яндекс» оборудовал автомобиль датчиками и системами (рис. 1), которые обеспечивают беспилотную езду. Первый прототип беспилотной машины компания представила в мае 2017 г., а первые испытания вне России проводятся в Лас-Вегасе.

Очень быстро развивается и растет бизнес компаний, предоставляющих автомобили в аренду (Car Sharing), которая была бы невозможна без подключения автомобиля к сети. Сети 5G смогут и в этом случае обеспечить новые возможности.

 

Технологии

Не секрет, что технологии Connected Car потребуют реализации и решения всех либо большинства задач, поставленных разработчиками технологии связи пятого поколения. Очевидно, что максимального развития этого поколения стоит ждать на поздней стадии развития сетей названного стандарта, когда будет обеспечена высокая надежность сети, малое время задержки, широкое покрытие и высокие скорости передачи. Это типичный пример для сети 5G uRLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency).

Коммерциализация перехода к 5G uRLLC-сети будет происходить в несколько этапов. На текущий момент развития сетей доступны телематика, информационные сервисы и развлечения (рис. 2). Активно ведутся работы по частичной автоматизации, а на последнем этапе станут доступны полная автоматизация и такие возможности, как движение в караване, получение телеметрии, усовершенствованное и даже дистанционное вождение.

 

Рис. 2

Однако уже по мере решения вопросов и расширения спектра применения технологий для подключения автомобилей станет возможным перенос наработанных технологических решений и в другие области производства и услуг, например в роботизированное производство или телемедицину.

Перенос знаний, алгоритмов, решений и технологий не является чем-то особенным и всегда применялся на практике. Можно привести множество примеров взаимного влияния эволюционирующих знаний и технологий оборонной и гражданской областей. Например, на теоретических основах развития фазированных антенных решеток и РЛС разработаны технологии радиодоступа и антенные устройства сетей пятого поколения, в том числе технологии MIMO. Подходы и алгоритмы в решении системы оценки угроз и распределения целей в ВВС применимы в системах Vehicle-to-vehicle (V2V), Vehicle-to-pedestrian (V2P) и некоторых других.

Уже 30 лет назад, 15 ноября 1988 г., стал возможным полностью автономный полет корабля «Буран», причем при посадке автоматика самостоятельно приняла оптимальное решение. Здесь можно провести аналогию с алгоритмами, программным обеспечением и решениями, которые уже применимы на борту автомобилей, – такими как круиз-контроль, системы предупреждения столкновений и экстренного торможения, системы контроля сцепления с дорогой и антизаносные системы, системы помощи водителю и пр.

Однако за несколько десятилетий вычислительные мощности устройств возросли на несколько порядков в отличие от мощности двигателей автомобилей, которая увеличилась лишь в разы. Реализация таких решений стала коммерчески доступной и возможной для широкого круга потребителей, что дает уверенность в том, что безопасность на дорогах может быть действительно повышена, а издержки значительно сокращены.

Решение многих технологических вопросов в случае с подключенными автомобилями позволит применить эти технологии и в других индустриях.

Подключенный автомобиль через сеть взаимодействует с окружающей средой и объектами (рис. 3), потому в нем выделяют несколько уровней взаимодействия автомобиля (V2X): автомобиль – автомобиль (vehicle-to-vehicle – V2V), автомобиль – инфраструктура (vehicle-to-infrastructure – V2I) и автомобиль – пешеход (vehicle-to-pedestrian – V2P). Кроме того, возможны системы автомобиль – электросеть (vehicle-to-grid – V2G) и автомобиль – устройство (vehicle-to-device – V2D).

 

Рис. 3

В основе всех связей V2Х лежит технология D2D-коммуникаций, иными словами, взаимодействия устройство – устройство (Device to Device). Они специфицированы и для взаимодействия на близком расстоянии (Proximity Services, ProSe), как для версии мобильного стандарта Release 12, так и для версии Release 13 3GPP. Принцип D2D может применяться для транспортных средств, развивающих скорость до 250 км/ч при их высокой плотности в потоке (до тысячи узлов). Обе конфигурации используют выделенную полосу для V2V, а также спутниковое геопозиционирование для синхронизации времени.

 

Автомобиль – автомобиль (V2V)

Система беспроводной связи, позволяющая автомобилям обмениваться друг с другом информацией о ситуации на дорогах без участия человека. Таким образом, Connected Car сможет получать информацию о скорости движения, местонахождении и различных параметрах другого автомобиля в режиме реального времени.

Автомобиль – инфраструктура (V2I)

Система беспроводной связи, позволяющая автомобилям обмениваться информацией с объектами инфраструктуры (например, со светофорами, дорожными знаками и т. д.) и получать информацию от них.

Автомобиль – пешеход (V2P)

Система Connected Car, через которую автомобиль может взаимодействовать с находящимися в непосредственной близости от него пешеходами. В рамках подобного взаимодействия электроника автомобиля получит возможность выявлять частотный диапазон смартфонов, которыми пользуются пешеходы, что позволит оценить скорость и направление движения мобильного гаджета и соответственно пешехода.

Автомобиль – устройство (V2D)

Система, позволяющая транспортному средству обмениваться информацией с любым электронным устройством, подключенным к самому автомобилю.

В сентябре 2016 г. консорциум 3GPP завершил первый этап стандартизации набора сервисов V2Х. Положения о стандарте включены в версию release 14 мобильного стандарта 3GPP. Финальная версия стандарта Completed uRLLC (Low Latency, High Reliability) R16 ожидается в 2019 г. Это стало дополнительным драйвером развития сетей мобильной связи пятого поколения и интеллектуальной транспортной системы.

 

5G и Wi-Fi

В последнее время широко обсуждается вопрос о будущем сетей Wi-Fi, их применении в сравнении с возможностями сетей 5G. С одной стороны, развитие стандартов Wi-Fi идет достаточно быстро и параллельно с эволюцией стандартов мобильной связи. Как и 5G, Wi-Fi развивается не только в привычном условном диапазоне 1–6 ГГц. Уже есть свой стандарт миллиметрового диапазона – 802.11ad – для высокоскоростной связи в пределах прямой видимости. Ему на смену идет стандарт 802.11ay, в котором теоретическая пиковая скорость передачи данных достигает 176 Гбит/с. Новый стандарт 802.11ah описывает связь для Интернета вещей в диапазоне 900 МГц. Стандарты 802.11ac Wave 3 и 802.11ax улучшат технические показатели Wi-Fi в несколько раз в ближайшие два-три года.

Хорошо видно, что идеология развития стандартов очень близка. Теоретически достижимые максимальные скорости передачи данных в сетях 5G и сетях Wi-Fi вполне сравнимы. Посмотрев на эти цифры, логично задать вопрос – а почему, собственно, считается, что 5G быстрее, и чем они лучше? Посмотрим на это с другой стороны,

5G умеет работать, объединяя разрозненные частотные полосы (и даже используя полосы частот одновременно с Wi-Fi-сетями), на что не способен Wi-Fi. В идеологии Wi-Fi отсутствует единая опорная сеть, что является недостатком при предоставлении единой интегрированной высоконадежной услуги с гарантированным уровнем качества (по типу SLA или Network Slicing).

Кроме того, здесь необходимо рассматривать вопрос малых задержек и оперативного отклика в сети, необходимых для быстро перемещающихся объектов, способных взаимодействовать между собой, окружающей инфраструктурой и сетью для таких случаев, как Connected Car, а не просто вопрос скорости передачи больших объемов данных, как в Wi-Fi сети.

Чем больше сот, тем эффективнее применяется спектр, но при этом резко растет стоимость сети и возникает много технических сложностей, с которыми 5G умеет справляться лучше. Например, технология разделения потоков вверх и вниз (UpLink/DownLink Decoupling), позволяющая снизить количество сот.

5G значительно продвинулся за счет технологий MIMO и формирования разных путей прохождения потоков данных в пространстве. Как результат в сети смогут одновременно обслуживаться намного больше абонентов, т. е. возрастет емкость сети. Инвестиции делаются туда, где есть бизнес. Основное отличие сотовых сетей и Wi-Fi состоит не в скорости передачи данных, а в моделях использования.

Сотовые сети предназначены для массового обслуживания огромного количества абонентов, причем в своем дизайне они несут унаследованные базовые услуги – голос, SMS и передачу данных. Операторы строят сети, чтобы обеспечить единый пользовательский опыт, поддержку всех стандартов и по возможности всех частотных диапазонов, везде, где имеется покрытие сети, в любых условиях – в чистом поле и в плотной городской застройке, в зданиях и на открытом пространстве.

Wi-Fi по сей день – технология, построенная вокруг только одной базовой услуги – передачи данных и несомненно продолжит развиваться в этом направлении, обеспечивая широкополосный доступ и высокие скорости для стационарных и малоподвижных объектов, но будет малопригодна для объектов, быстро перемещающихся на значительные расстояния.

Процесс формирования кооперации между сотовыми сетями и Wi-Fi в России идет очень сложно по причине отсутствия действительно качественных, соответствующих стандартам и хорошо эксплуатируемых сетей Wi-Fi.

Чтобы построить качественную сеть Wi-Fi в зоне, где много абонентов, нужно инвестировать немалые средства (которые, возможно, ниже соответствующих инвестиций в сотовую сеть, но тоже вполне материальны). Чтобы инвестировать, нужно иметь бизнес-кейс и уметь зарабатывать на этой сети. Но хорошо зарабатывать на публичных бесплатных сетях Wi-Fi практически никто не умеет. В итоге публичные сети Wi-Fi в массе своей строятся при наличии прямого заказчика и внешнего финансирования, для решения любых локальных задач (удобство для посетителей, безопасность и т. д.). Поэтому такие сети проектируются с максимальной экономией при сохранении допустимого качества, удобства использования и безопасности. С этой точки зрения, инвестиции в 5G кажутся более разумными, особенно в долгосрочной перспективе, чем в сети Wi-Fi.

 

Рис. 4

Ожидается, что V2V и V2I в совокупности станут первым этапом эволюции автомобильной промышленности к беспилотным автономным транспортным средствам (рис. 4).

Естественно, среди главных преимуществ Connected Car можно назвать безопасность. Предполагается, что мониторинг окружающей среды, получение информации о происшествиях на дорогах в режиме реального времени, взаимодействие с другими автомобилями обеспечат безопасное движение как для водителей, так и для пешеходов (рис. 5). Большое значение будет иметь пониженная энергоемкость подобной дорожной инфраструктуры.

 

Рис. 5

Трудности и законодательство

Однако на пути развития концепции Connected Car есть и препятствия. В первую очередь это отсутствие правовой базы, регулирующей общение автомобилей с другими участниками дорожного движения. Еще одна проблема – необходимость построения «умной» среды, в которой к сети будут подключены все объекты (светофоры, информационные знаки и т. д.), когда V2X-системы будут предупреждать о наличии автомобиля на обочине или в мертвой зоне, о резком торможении или об участках, где ведутся дорожные работы.

Примеры интеграции различными автоконцернами систем связи в свои автомобили уже есть. Но порой взаимодействовать друг с другом транспортные средства разных производителей пока не могут по причине отсутствия единых стандартов.

В США уже разработали стратегию развития Connected Car. Департамент транспорта разместил в открытом доступе документ, выражающий намерение с 2023 г. обязать автопроизводителей оснащать автомобили средствами V2V-связи. Первые внедрения vehicle-to-vehicle должны начаться в 2021 г. В обозримом будущем, а именно в 2019 г., власти США планируют принять законодательные нормы, регулирующие технологии Connected Car. Федеральная комиссия по связи уже выделила промышленности частоты для создания и масштабирования национальных систем vehicle-to-infrastructure и vehicle-to-vehicle. Стоимость одной системы V2V-связи оценивается в 250–350 долл.

Не менее интересен опыт Китая, который в последнее время по праву можно считать одним из пионеров внедрения этих технологий. Недавно был выпущен документ – National Connected Car Industry Standard System Construction Guide (General requirements), описывающий общую концепцию внедрения Connected Car в стране. Целью документа являются координация усилий различных министерств и ведомств, распределение обязанностей и определение роли государства в стандартизации, ускорении разработки и внедрении соответствующих стандартов для Advanced Driver Assistant Systems (АDAS). В документе описаны цели и задачи в различных индустриях (автомобильной, электронной и микроэлектронной, информационной и телекоммуникационной). Подчеркивается необходимость установления межиндустриальных связей, способствующих индустриальному развитию Китая на ближайшие пять лет. Причем ведущая роль в этом документе отводится государству, которое, основываясь на фундаментальных и научных исследованиях, будет формулировать общую концепцию развития отрасли, разрабатывать и утверждать соответствующие стандарты. Однако в области инноваций ключевая роль отводится предприятиям, внедряющим и продвигающим новые технологии.

В документе ставится цель к 2020 г. утвердить базовую концепцию и стандарты. Кроме того, значительное внимание уделено информационной безопасности и защищенности данных и сетей.

Другой интересный документ, изданный Министерством промышленности и индустриальных технологий, Министерством общественной безопасности и Министерством транспорта и связи, появившийся в апреле 2018 г., определяет порядок, нормы и стандарты при тестировании «умных» подключенных автомобилей. Документ состоит из шести разделов, определяющих ответственность в случае инцидентов, требования к автомобилю, водителю, дорогам, страховке и пр.

Перенос технологий и алгоритмов в законодательной области может быть интересен и в нашей стране, особенно в свете развернувшегося в конце прошлого года обсуждения концепции развития сетей 5G и создания инфраструктурного оператора.

В России, как и в мире в целом, развитие интеллектуальных дорог замедляет несогласованность проектов. Кроме того, закрытые платформы и решения несовместимы между собой, что не позволяет объединить заинтересованных участников рынка и сформировать единую эффективную систему. Такая несогласованность может оказать негативное влияние на реализацию Программы по созданию условий для перехода страны к цифровой экономике, разработанной и утвержденной в 2017 г. Правительством Российской Федерации.

Все участники сотовой индустрии сходятся во мнении, что для сетей пятого поколения необходимы полосы радиочастот в трех разных диапазонах: ниже 3 ГГц (для обеспечения широкого покрытия), 3–6 ГГц (для покрытия и увеличения емкости сети прежде всего в крупных городах) и выше 24 ГГц (в миллиметровом диапазоне для большой емкости сети и точечного покрытия). В соответствии с этой общей схемой в Европе и многих других регионах мира регуляторы уже выделяют частоты в диапазонах 700 МГц, 3,4–3,8 ГГц и 26–28 ГГц. В России с большинством из перечисленных диапазонов существуют проблемы. Эти сети и диапазоны нужны для целых индустрий, а не только для работы мобильных телефонов (рис. 6).

Рис. 6

В нашей стране концепция Connected Car только начинает формироваться. Здесь следует отметить одну особенность при формировании указанной концепции и последующем обсуждении в рамках использования в сетях пятого поколения.

Современный серийный автомобиль фактически представляет или должен будет представлять собой мобильный «компьютер на колесах», подключенный к сети в любом месте страны и за ее пределами, с интерфейсом, обеспечивающим такую возможность. Это важно иметь в виду как при формировании концепции Connected Car, так и при обсуждении путей развития сетей пятого поколения в России с учетом мобильности объектов, подключенных к сети.

 

5G в России

Начиная с прошлого года обсуждаются три варианта концепции развития сетей пятого поколения. Два из них предусматривают использование новых и действующих диапазонов радиочастот: первый – самостоятельное развитие сетей каждым из операторов (при совместном использовании сайтов размещения оборудования, башен, волоконно-оптических линий связи); второй – развитие на базе интенсивного совместного использования активного сетевого оборудования.

Третий вариант предполагает развитие сети только в новом диапазоне радиочастот (3,4–3,8 ГГц) единым инфраструктурным оператором с ее последующим использованием остальными операторами на договорной основе.

 

Первый вариант подразумевает наибольшие суммарные инвестиции: для сетей радиодоступа и модернизации транспортной сети для 5G они составят 550–610 млрд руб. Однако этот вариант, как ожидается, является лучшим с точки зрения развития конкуренции и инноваций, наличия стимулов к повышению качества услуг, улучшению управления технологическими и политическими рисками.

 

Второй вариант, аналогичный модели совместного развития LTE в РФ и предполагающий шеринг с совместным использованием около 70% базовых станций 5G парой операторов, потребует суммарных затрат в создание инфраструктуры 5G-сетей в 400–445 млрд руб (сети радиодоступа и транспортная, без учета опорной сети). Такой вариант выглядит лучшим по экономической эффективности, обеспечению финансирования развития инфраструктуры, скорости развертывания сети и проникновения услуг.

 

Третий вариант, предполагающий создание единого инфраструктурного оператора и единой сети 5G/IMT-2020 в диапазоне 3,4–3,8 ГГц, потребует инвестиций в размере не менее 470–514 млрд руб. в сети радиодоступа 5G и транспортную сеть (без учета опорных сетей). Для этого варианта характерен высокий уровень капитальных вложений и операционных затрат, поскольку потребуются создание масштабной инфраструктуры (линий связи, площадок для размещения оборудования базовых станций и ЦОД), а также внедрение ИТ-систем, обеспечивающих работу единой сети 5G, которая уже имеется у игроков рынка.

 

Построение сетей пятого поколения не является самоцелью, оно должно привести к ускорению экономического развития в различных областях, в том числе технологии «подключенных автомобилей». Именно на технологиях 5G будут выстраиваться новые бизнесы вертикальных индустрий, которые в первую очередь и должны будут привести к скорейшей окупаемости проектов и возврату инвестиций.

 

При принятии концепции важно найти баланс между прямыми инвестициями в сети пятого поколения, возможными затратами на «расчистку частот» и предполагаемыми затратами вертикальных индустрий на инвестиции в разработку «экосистемы оборудования» (при условии ее отсутствия в существующих вариантах). Возможно, окажется, что двигаться предпочтительно туда, где есть готовая «экосистема оборудования». Например, в полосе 3,4–3,8 ГГц и 24,26–29,5 ГГц уже есть оборудование. Будет ли полоса 4,4–4,99 ГГц иметь статус глобального диапазона в рамках Международного союза электросвязи, пока не ясно, как пока нет и подтверждения от ведущих вендоров, что они готовы в ближайшей перспективе производить оборудование с поддержкой этого диапазона.

 

Будут ли мобильные объекты иметь возможность подключения к сети по всей территории страны и за рубежом? И сколько это будет стоить, если говорить о глобальных транзитных международных проектах из Европы в Азию? В конечном счете именно такие проекты дадут возможность скорейшего возврата инвестиций.

Если концепция Connected Car оправдает возлагаемые на нее надежды, то снизятся не только количество аварий на дорогах и связанные с этим издержки, но и затраты на логистику и экологию, появится возможность быстро и легко интегрировать транспортные системы России в международные проекты.

 

Заключение

Для полноценного и оптимального внедрения и построения сетей пятого поколения потребуется объединение всех ресурсов и усилий не только операторов – членов Союза LTE и государства в высвобождении необходимого радиочастотного ресурса и подготовке нормативно-правовой базы, но и всех заинтересованных участников рынка.

Вероятно, необходима и дополнительная оценка всеми участниками рынка потенциальных инвестиций и возможностей применения мирового опыта адаптации и переноса технологий, алгоритмов и подходов для нахождения оптимального баланса.

 

 

 

 

Поделиться:
Спецпроект

Форум «ИТОПК-2020» оценил потенциал господдержки

Подробнее
Спецпроект

Напряженный трафик или Современные требования к инфраструктуре ЦОД

Подробнее

Подпишитесь
на нашу рассылку