По сравнению с предыдущими поколениями, сеть 5G обеспечивает гораздо более высокие скорости передачи данных и почти незаметные задержки, а также более стабильное соединение. 5G позволит подключить огромное количество дополнительных устройств к Интернету. Новая технология позволит подключить к сети до миллиона устройств на квадратный километр.
Новая мобильная сеть необходима, потому что всё больше и больше устройств подключаются к Интернету. Предполагается, что в 2020 году там будет 5,5 миллиардов человек и более 50 миллиардов устройств. Современные сети не могут справиться с таким объемом данных, поскольку, согласно оценкам, каждый пользователь мобильного интернета будет потреблять, в среднем, 20 ГБ данных в месяц. Сегодня это около 3,5 ГБ.
Технология 5G – это больше, чем просто возможность быстрее загружать фотографии, видео и другие данные. Новая сеть разработана с целью подключения к ней огромного количества, так называемых, умных устройств. Интернет вещей, который благодаря постоянному подключению к сети, общению устройств друг с другом и применению алгоритмов искусственного интеллекта должен способствовать развитию интеллектуальной промышленности, интеллектуальных городов или интеллектуального транспорта.
Технология 5G также предлагает чрезвычайно низкие задержки, что на практике означает, что система должна реагировать в 100 раз быстрее, чем сети LTE. Это, в долгосрочной перспективе, позволит автоматизировать медицину или транспорт, потому что, например, будет возможно дистанционно управлять очень точными устройствами, такими как медицинские роботы.
Технологии сети стандарта 5G
5G – это аббревиатура пятого поколения сотовой сети. Хотя сеть 5G может оказаться революционной с точки зрения потенциальных приложений и преимуществ для экономики, с точки зрения построения сети это эволюция уже известных решений. Поэтому развитие сети 5G будет постепенным и, в значительной степени, будет создаваться устройствами, которые уже работают в стандарте 4G/LTE или даже 3G.
Новые полосы частот будут использоваться для связи. В дополнение к тем, которые уже обслуживают связь в стандартах 2G, 3G и 4G/LTE, для телекоммуникаций будут использоваться 700 МГц, 3,4-3,8 ГГц и 26 ГГц.
Улучшения также будут включать введение более мелких передатчиков, изменения в конструкции антенн или другое программное обеспечение, поддерживающее сеть.
Частоты в сети 5G
Сети 5G будут использовать разные частоты:
Полоса 700 МГц охватывает полосу 694-790 МГц. Волны на этих частотах распространяются относительно равномерно и не поглощаются различными препятствиями. Это означает, что волны, благодаря своим характеристикам, могут охватывать территорию страны, что обеспечит доступ к услугам на основе 5G потенциально каждому жителю.
Следующий диапазон частот охватывает 3,4-3,8 ГГц и предоставляет параметры, необходимые для одновременной поддержки большого количества подключенных устройств. Эта полоса может быть успешно использована в районах крупных городов с высокой плотностью застройки. Их также можно использовать для передачи больших объемов данных в режиме реального времени – например, видео в самом высоком разрешении.
Высокочастотная полоса пропускания – свыше 24 ГГц – может использоваться устройствами, которые требуют очень низкой задержки. Однако, проблема заключается в ограничении дальности из-за подавления сигнала, вызванного листьями деревьев и кустарников, не говоря уже о таких препятствиях, как стены зданий или рельеф местности. Расчетный охват в пределах этой полосы колеблется в пределах от 50 до 500 м на открытых пространствах, тогда как в населенных пунктах он не превышают 200 м.
Эти частоты в мобильной связи будут использоваться впервые, но в течение многих лет без какого-либо негативного воздействия на окружающую среду и здоровье на них работают другие устройства:
- на частоте 700 МГц телевизионный сигнал транслируется в течение нескольких десятилетий;
- частота 3,5 ГГц широко использовалась в течение десятилетий в широкополосных передатчиках WiMax;
- частоту 26 ГГц используют радиолинии, например, в крупных городах в случае возникновения препятствий при прокладке кабельных линий.
В настоящее время во многих странах ведутся работы по организации радиочастотного спектра и обеспечению доступности полос для новых телекоммуникаций.
Радиоинтерфейс (новое радио)
Технология 5G потребовала разработки нового радиоинтерфейса, то есть метода подключения устройств с помощью электромагнитных волн.
Интерфейс 5G абсолютно новый, но он сможет взаимодействовать с текущей технологией 4G/LTE/LTE-Advanced. Основное отличие состоит в том, что интерфейс 5G, известный как NR или New Radio, поддерживает гораздо более широкий диапазон частот, чем существующие мобильные сети.
До настоящего времени сотовые сети обычно использовали радиоволны в диапазоне частот от 300 МГц до 3 ГГц. 5G NR использует, так называемый, спектр миллиметровых волн, то есть очень высокочастотные волны, такие как 26 ГГц.
Частоты в диапазоне 26 ГГц будут передавать беспрецедентный объём данных. Их ограничением является малая дальность и более высокая подверженность воздействию окружающей среды, например, дождя. Однако технологии, используемые в сетях 5G, такие как Massive MIMO или формирование луча, позволяют частично решить эти проблемы.
Чтобы обеспечить наилучшие возможные параметры, каждое устройство сначала попытается подключиться к сети с использованием высоких частот NR. Если это окажется невозможным, соединение будет установлено с использованием существующей сети 4G/LTE.
Интеллектуальные передатчики 5G
Благодаря техническому развитию, всё чаще в сотовых сетях появляются интеллектуальные передатчики Они могут одновременно обрабатывать гораздо больше пользователей без риска снижения скорости передачи данных.
Одним из ключевых элементов интеллектуальных передатчиков является технология Massive MIMO. Аббревиатура MIMO происходит от слов «множественный вход – множественный выход», это означает множество входящих и исходящих сигналов. Сеть, использующая эту технологию, может одновременно принимать и передавать более одного сигнала по одному и тому же радиоканалу. Для этого каждый передатчик и приемник оснащен более чем одной антенной.
Меньшие антенны
В случае классических сетей MIMO, например сетей LTE четвертого поколения, каждое устройство использует для этой цели две или четыре антенны. Massive MIMO потребует установки большего количества антенн – 64 или даже 128. Однако они намного меньше и, как следствие, весь набор антенн не сильно отличается от антенны предыдущих поколений. Чтобы антенны работали правильно и не мешали друг другу, они используют разные частоты.
Формирование луча
Другим методом, используемым в интеллектуальных антеннах, является формирование луча. Сигнал обрабатывается так, что луч достигает пользователя в виде концентрированного сигнала с большей силой. Вы можете представить это как луч света, падающий в то место, где сотовый телефон просто лежит и движется вместе с ним – как прожектор, следующий за актером на сцене. В случае формирования луча таких «прожекторов» гораздо больше, – для каждого пользователя отдельно.
Благодаря интеллектуальным передатчикам, устройства будут иметь более стабильное соединение и более высокую скорость передачи данных. Сеть также более устойчива к преднамеренным и случайным сбоям. В ней также сможет функционировать большее количество устройств, не влияя на скорость передачи данных.
Микроволны сети 5G
Микроволны – это радиоволны длиной до нескольких десятков сантиметров. Это естественное физическое явление. Они уже широко используются в различных устройствах и в телекоммуникациях.
Волны, называемые микроволнами, имеют длину от 1 миллиметра до 30 сантиметров. Они относятся к широкому спектру волн, называемых электромагнитным спектром. В природе бывают волны в несколько километров (на которых раньше вещали радиостанции) или доли миллиметра. Даже видимый свет – это электромагнитная волна, но с частотой, намного меньшей, чем используемые в телекоммуникациях.
В сетях 5G будут использоваться, среди прочего, более высокие частоты, чем раньше, для стандартов 2G, 3G или 4G LTE. Одна из полос, предусмотренных для этой технологии, использует частоту в 26 ГГц. На этих частотах будут передаваться и приниматься волны длиной в несколько миллиметров, так называемые, миллиметровые волны.
Длина волны и передаваемая энергия
Длина радиоволны – это отрезок между пиком одной волны и другой – как в случае с морскими волнами. Частота обратнопропорциональна длине – чем выше частота, тем короче волна. И наоборот.
Волны передают энергию: более короткие волны несут больше энергии, более длинные – меньше. Это также относится к микроволновым печам. Это явление использует микроволновая печь, которая приводит в движение молекулы воды. Однако, её работа возможна только в довольно узкой полосе – около 2,45 ГГц. Использование более высоких частот в микроволновых печах не будет эффективным. Благодаря микроволнам также передаётся сигнал спутникового телевидения и некоторых датчиков (например, датчики глубины, металлоискателей и т.д.), рамок безопасности в аэропорту.
Базовые станции сети 5G
Сеть 5G будет использовать больше базовых станций, чем предыдущее поколение. Тем не менее, они будут расходовать гораздо меньше энергии, чем те, которые используются сегодня.
Устройства 5G будут использовать, среди прочего, радиоволны с частотой 26 ГГц. Следовательно, сама сеть должна быть построена иначе, чем существующие сети 3G или 4G/LTE/LTE-Advanced. Это связано с тем, что на высоких частотах радиоволны короче – миллиметровые волны. Они имеют меньшую дальность и меньше проникают сквозь стены зданий. Их использование потребует строительства большого количества базовых станций очень малой мощности, так называемых, пико и фемтосот.
В отличие от макросот, используемых сегодня сотовыми сетями и обслуживающих зону на расстоянии до десятка километров от передатчика, микросоты являются базовыми станциями с дальностью действия до двух километров, но чаще – нескольких сотен метров. Пикосоты ещё меньше, их физический размер напоминает обувную коробку, а диапазон включает несколько десятков метров. Самые маленькие фемтосоты обычно имеют радиус действия менее 10 метров.
Микро, пико и фемтосоты намного меньше, чем известные сегодня базовые станции. Таким образом, они будут оказывать гораздо меньшее влияние на ландшафт. Их небольшой размер и низкое энергопотребление позволят их устанавливать в местах, где они не будут привлекать внимание.
Общее количество передатчиков, включенных в сеть, должно быть в 10-100 раз больше, чем в сетях 3G или 4G/LTE/LTE-Advanced. Это можно сравнить с ситуацией, когда мы используем много маленьких лампочек для освещения комнаты вместо одной большой люстры. Каждая из них намного слабее, чем одна большая лампа, и в то же время позволяет освещать труднодоступные места. Это особенно важно в городах, где между зданиями много «уголков». Это решение может быть использовано также в местах с труднопроходимой местностью, например, в горах.
