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.

Читайте также
Кто выиграет гонку: вирус, иммунная система или технологии?
Кто выиграет гонку: вирус, иммунная система или технологии?
Прямо сейчас происходит гонка нашей иммунной системы, науки, технологии и вируса
От искусства до науки: 10 фактов из истории криптографии
От искусства до науки: 10 фактов из истории криптографии
Вы точно сталкиваетесь с криптографией каждый день, даже если не осознаете этого.
Новые открытия дают надежду на лечение рака без побочных эффектов
Новые открытия дают надежду на лечение рака без побочных эффектов
Есть ли альтернатива химиотерапии, лучевой терапии и противораковым препаратам?