Вопрос науки. Вся правда о технологии 5G
Что такое 5G и зачем оно нужно? Почему пандемия показала необходимость нового поколения связи? В чем особенность вышек 5G?
На эти и другие вопросы отвечает гость программы «Вопрос науки» Алексея Семихатова — кандидат технических наук, руководитель Центра компетенций национальной технологической инициативы по технологиям беспроводной связи и интернета вещей в «Сколтехе» и доцент «Сколтеха» Дмитрий Лаконцев.
Чем отличаются различные поколения связи?
Первое поколение — это мобильная связь, то есть вы не привязаны проводом к розетке. Это не были массовые системы, но тем не менее первый шаг был сделан — появился радиотелефон.
Основное отличие второго поколения от первого — это то, что голос стал значительно лучше и надежнее. Вы стали чисто слышать собеседника, значительно лучше, чем в обычных проводных телефонных сетях.
Третье поколение — это передача данных, которая добавилась к голосу. Потому что во втором поколении были эсэмэски те самые, короткие сообщения, немножечко была GPRS-передача данных, но очень слабая, то есть, можно сказать, ее не было. Но в третьем поколении появилась передача данных с нормальной скоростью.
А вот четвертое поколение — это уже полностью система, построенная на протоколе IP. Телефон стал смартфоном. Его основной функцией стала передача не голоса, а данных и их отображение на экране. Так появилась характерная поза у человека: он уткнулся в экран, начал на нем залипать. Именно потому, что смартфон научил его принимать информацию в графическом виде, а не в звуковом. Мессенджеры вышли на первый план, люди стали чатиться, то есть писать текст, а не говорить по телефону, как это было в предыдущих поколениях.
И следующий переход был очень простой. Люди сказали: «О’кей, хорошо. Человек удовлетворен полностью. Он и читать может, и фильмы смотреть может, и звонить может, и все что угодно. Кого же мы до сих пор не привлекли в это прекрасное сообщество?» А не привлекли мы кого?
Вещи. То есть появился так называемый интернет вещей. Разница с обычным интернетом в том, что в обычном интернете источником информации и получателем этой информации является человек. То есть человек создает фильмы, человек их смотрит, человек говорит и человек слушает. А в случае интернета вещей обмениваются информацией устройства — и сенсоры, и датчики, и т. д. Без участия человека. То есть появляются автоматизированные системы, которые используют ту же сеть, но уже никак не завязываясь на человека, совершенно параллельно ему. И вот именно эти новые вещи для поддержки всех сервисов интернета вещей прежде всего привнесли в новое поколение — в 5G.
Что такое 5G?
Если говорить о 5G с точки зрения, скажем так, потребительской, то это такой классический треугольничек, как его обычно рисуют. В одном углу находится высокоскоростная связь для передачи больших потоков информации. Прежде всего, конечно, видео, дополненная реальность и виртуальная реальность — это то, чем пользуется человек.
Второй угол этого треугольника — это так называемая massive machine type communication, массовое подключение простых устройств, которые генерируют мало информации, генерируют ее редко, но устройств этих в будущем, по идее, должно появиться очень много. В частности, возможна поддержка до 50 000 разных сенсоров и устройств, не одновременная передача, а просто поддержка, подключение к одной базовой станции.
То есть, условно говоря, это расчет на то, что город будущего, тот самый смарт-сити, будет перенасыщен огромным количеством различных сенсоров, датчиков и каких-то устройств, передающих, может быть, не очень срочную, не очень важную, очень маленькую, но очень массовую информацию, потому что самих датчиков, сенсоров очень много.
И третий угол этого треугольника — это сверхнадежная передача с низкой задержкой. То есть это передача данных, которая весьма надежна с точки зрения потерь, там вероятность потерь где-то 10–5.
Нам действительно нужно 5G?
Каждый раз люди говорили: «Вот зачем оно нужно? Вот есть же телефон без проводов. Ну куда вам цифровой звук? Зачем? Кому он нужен?» Потом появился 3G. Я прекрасно помню, как наши чиновники говорили: «Наш народ пока не готов к 3G, зачем?» И тогда тоже не было четко сказано, а какие же все-таки сервисы будут. Когда внедряли 3G и 4G, особенно 3G, первым человеком, на мой взгляд, который понял, зачем это надо, и показал это миру, был Стив Джобс.
То, что сотовые сети всегда бегут немножко впереди сервисов, — это нормально. Потому что сотовая сеть — это инфраструктура. Как у нас теперь модно говорить: «Критическая информационная инфраструктура».
Это такие шоссейные дороги для будущих сервисов. Да, понятно, что скоростные дороги строятся раньше, чем появляются, скажем так, сверхскоростные автомобили, способные их использовать. Потом появляется какая-то инфраструктура для этих дорог типа знаков, разметки, не знаю, светофоров и прочего, потом появляются придорожные кафе, потом появляются бензоколонки — ну, в любом порядке. То есть имеется в виду, что сама по себе дорога сделана надолго.
Что дает 5G?
Зачем же нужен такой сверхнадежный и такой вот требовательный к задержкам трафик? А тут ничего нового нет — это подключение самых разных, во-первых, систем охраны и систем обеспечения безопасности, которые сейчас являются проводными именно потому, что нужна высокая очень надежность. Так вот, в мобильной сети наконец появилась сверхнадежная передача.
Интернет вещей, к сожалению, обывателем воспринимается как умный холодильник и умный чайник. А это не так. Это прежде всего промышленность. И подключение промышленных установок, промышленных роботов и т. д. И беспилотные средства, летающие либо ездящие. Вот это то, что будет активно потреблять эту информационную инфраструктуру.
Сейчас у нас беспилотные автомобили в городе уже появляются. Разумеется, они сейчас во многом опираются на свои собственные силы. То есть, условно говоря, на свои собственные сенсоры, на свою собственную учредительную мощность и т. д. Но если обеспечить им поддержку вокруг, то есть, условно говоря, оснастить связью умные остановки, умные светофоры и умные знаки и догружать, например, высокоточные карты по ходу движения автомобиля в него с помощью высокоскоростной связи вроде 5G, — это сильно, во-первых, удешевит эти беспилотные автомобили, они будут использовать более простые устройства в качестве сенсоров. А во-вторых, повысит, безусловно, их надежность.
И в этом смысле основной потребитель 5G, на мой взгляд, он просто только зарождается. Это как раз беспилотные средства, и это промышленность, промышленные роботы, промышленные установки.
В промышленности сейчас — даже у нас, в достаточно консервативной стране с точки зрения выдачи спектра, — буквально в апреле было принято решение о выдаче миллиметрового спектра предприятиям. То есть, условно говоря, ты можешь получить место в спектре и начать его использовать, не будучи оператором, не имея операторской лицензии.
5G позволит практически бесконечно (понятно, что бесконечно не бывает) уточнять нашу информацию о том или ином объекте или процессе. То есть, если у вас какой-то производственный процесс, например выплавка стали, вы можете увеличивать количество сенсоров постоянно, можете постоянно снимать новую информацию и в одном и том же месте собирать самую разную информацию одновременно. То есть для вас теряется этот информационный барьер: «Хотите знать про это? Пожалуйста. А хотите к этому добавить еще какую-то информацию, в десять раз больше? Тоже пожалуйста». Все это подключается элементарно. Вы ставите новый сенсор, он мгновенно интегрируется в Сеть, и все.
Для человека, я бы сказал, не то чтобы сильно что-то изменится. Я бы все-таки, наверное, выделил то, что у нас появится надежная связь для беспилотных систем. Я все-таки хотел бы увидеть беспилотные системы в ближайшие пять-семь лет на улицах наших городов. Потому что это правильное движение в нужную сторону.
Пандемия показала важность 5G
Первое, что появляется при 5G, — это очень высокая спектральная эффективность. Она в несколько раз выше, чем у 4G, которым мы сейчас пользуемся. Спектральная эффективность — это количество информации, передаваемой на один Герц спектра доступного.
То есть, условно говоря, она так и меряется — бит на Герц, сколько бит вы передаете в одном Герце. Разумеется, Герц — это как земля, про которую Марк Твен говорил, что «ее больше не делают, поэтому покупайте». Единственный природный ресурс оператора — это как раз спектр. Он получает некую полоску в этом спектре и может в ней светить. И чем выше спектральная эффективность, тем больше информации он умудряется прокачивать вот в этой ограниченной полосе и тем, естественно, он больше передает информации, зарабатывает денег. Поэтому спектральную эффективность повышают непрерывно, все системы постоянно ее повышают. И сейчас 5G в несколько раз эффективней, нежели, допустим, предыдущее поколение LTE 4G. Как минимум в три раза эффективнее.
Важность этого момента показала как раз текущая ситуация — карантин. Потому что сети мгновенно начали наедаться. Раньше, в спокойной обстановке, действительно, 4G более чем хватало, чтобы смотреть видео и т. д. А вот когда пошли непрерывные телеконференции, когда пошел непрерывный стриминг, когда пошла вот эта вот работа в онлайне, сети начали очень быстро наедаться. И в данном случае повышение спектральной эффективности очень важно.
Что особенного в вышках 5G?
Вышки 5G от вышек предыдущего поколения принципиально не отличаются. Если мы говорим про частотные диапазоны, то почти весь 5G находится в классических частотных диапазонах. Все они вперемешку распределены по уже давно используемому спектру. Разве что, наверное, исключение можно сделать для миллиметрового диапазона. Это в районе 27 ГГц. То есть миллиметровые волны, сверхвысокие частоты для передачи больших объемов информации — вот это некое новшество с точки зрения физики. То есть появился новый спектр. Если исключить миллиметровые волны, то весь основной спектр 5G — классический: 700 МГц, 3,5 ГГц, 2,4 ГГц. Все эти вещи давным-давно используются.
Что касается сверхвысоких частот, то они обеспечивают те самые сверхвысокие скорости до 10, например, гигабит в секунду на мобильном устройстве. Но применение их достаточно узкое. В городе их использовать крайне неудобно. Городской рельеф будет их глушить очень сильно, они боятся препятствий. Буквально стоит поднести к телефону руку, и у вас прерывается связь. Это вещи для каких-то специализированных применений. Например, для какой-нибудь трансляции в высоком качестве или технического зрения роботов на заводе.
Будет ли 6G и когда?
Смотрите: цикл смены поколений в сотовой связи — порядка десяти лет. Вот между первым и вторым, вторым и третьим, четвертым и пятым проходит плюс-минус десять лет. Десять лет — это очень много в современном мире, совершенно точно. Не было еще прецедента, чтобы мы не исчерпывали ту инфраструктуру, которую построили до этого.
На самом деле 6G уже запланировано. Оно будет внедряться на рубеже где-то 2030 года. И исследования в мире уже начались, в том числе и мы в «Сколтехе» их уже проводим.