Для чего нужна технология 5G?

Как эволюционировала сотовая связь, кому больше нужна технология 5G — умным устройствам или человеку — и почему российский телеком зависит от зарубежных производителей оборудования?

«Бумага» публикует конспект лекции Дмитрия Лаконцева, кандидата технических наук и руководителя Центра компетенций НТИ на базе Сколтеха по технологиям беспроводной связи и интернета вещей. Он рассказывал о 5G на фестивале Science Bar Hopping Online в июне.

Science Bar Hopping Online — просветительский фестиваль, который проводят Фонд инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) и «Бумага». Официальная соцсеть мероприятия — «ВКонтакте». «Бумага» также благодарит информационного партнера Science Bar Hopping Online «Аргументы и Факты».

Дмитрий Лаконцев

Руководитель Центра компетенций НТИ на базе Сколтеха по технологиям беспроводной связи и интернета вещей

Как развивалась сотовая связь и когда мобильная сеть стала продолжением интернета

― Первое поколение сотовой связи — 1G, хотя оно так еще не называлось, — это системы связи, которые разрабатывались в начале 1970-х годов. Они решали простую проблему: отвязать человека от телефонной розетки. Первые мобильные телефоны стоили чудовищных денег, порядка 5–9 тысяч долларов за аппарат, и емкость таких систем была очень невелика, то есть количество пользователей было очень ограничено. Тем не менее это был шаг вперед. В коммерческой эксплуатации за рубежом первые сети 1G появились в первой половине 1980-х годов, а у нас — в 1991-м.

До этого в Советском Союзе была система «Алтай», которую можно отнести к первому поколению мобильной связи. Но она не пошла в народ, а применялась только государственными службами, милицией и КГБ.

Второе поколение — 2G — связано в первую очередь с появлением цифрового голоса. В этот момент голос по мобильному телефону стал чище и отчетливее, чем по проводному, добавились какие-то минимальные данные. Их передача осуществлялась без выхода в интернет и подразумевала в основном обмен текстовыми сообщениями, теми самыми эсэмэсками.

Название, которое закрепилось за одним из основных стандартов этого поколения связи, — GSM. Технология оказалась очень удачной. Она обеспечила прекрасное покрытие, высокую емкость сети (много одновременных абонентов — прим. «Бумаги») и самый минимальный сервис, который был необходим человеку. Сейчас системы безопасности, такие как ГЛОНАСС, используют службу 112 — это голосовой вызов по GSM. Он удобен тем, что для звонка не нужна симка и необязательно быть в зоне действия своего оператора.

Кроме СМС во втором поколении, хотя и чуть позже, появился GPRS — это развитие стандарта GSM, которое принесло пользователям возможность передавать данные на скоростях, аналогичных телефонным модемам. Говоря точнее, GPRS не был первым стандартом для передачи данных, но он стал первым популярным. Кстати, когда он только возник, тоже было много рассуждений о том, вреден ли он и не влияет ли на здоровье.

Поколение 3G — это первый беспроводной широкополосный доступ к данным. Другими словами — первый быстрый интернет. Стандарты третьего поколения — UMTS, который использовался у нас, и CDMA2000, который в основном применяли в США и Японии. Еще был альтернативный стандарт WiMax, который позже умер при появлении 4G, но именно он сделал ставку на максимальные возможности широкополосного доступа, превосходящие 3G. WiMax внес большой вклад в общее дело: он показал, что на самом деле данные важнее голоса. С приходом третьего поколения связи появился также новый тип устройства — смартфон.

Для 4G характерно то, что вся сеть стала полностью IP. Условно говоря, в четвертом поколении данные передаются в виде IP-пакетов, то есть мобильная сеть превратилась в продолжение интернета. И мобильные устройства мгновенно начали «поедать» рынок: всеми сайтами и ресурсами в интернете мы всё больше пользуемся на мобильных устройствах, а не на стационарных компьютерах или лэптопах.

4G вобрал в себя много достижений разных стандартов и пришел к единому. В основном это заслуга консорциума 3GPP, который занимается стандартизацией протоколов связи.

В чем заключаются преимущества 5G для обычных пользователей и умных устройств

— Каждые несколько лет консорциум 3GPP выпускает релизы с новыми свойствами. С одиннадцатым релизом у нас появился LTE, то есть 4G — это коммерческое название так же, как GSM для 2G. А с 15-м релизом — 5G, никаких коммерческих названий для него придумывать не стали. Систематизация поколений говорит о том, что происходит некое эволюционное развитие, а не революция в стандартах связи.

Я бы сказал, что 5G, по крайней мере, в текущей редакции, — это 4G на стероидах. На самом деле никакого сверхъестественного перехода не произошло, а вот улучшение абсолютно всех функций 4G и добавление к ним новых вещей наблюдается.

5G обеспечивает до 10 Гбит/с пиковой скорости передачи данных, улучшена энергоэффективность, то есть появилась возможность подключать к сети сенсоры, датчики и отдельные энергоэффективные устройства, которые могут жить на одной батарейке по шесть-восемь лет. Поддерживается высокая скорость передвижения объектов (до 500 км/ч), что важно, например, для скоростных поездов.

При вспышке коронавируса и введении режима самоизоляции люди стали значительно больше работать из дома, что привело к повышению нагрузки на сеть. А 5G в том же частотном диапазоне может быть до трех раз эффективнее, чем 4G. Все операторы заявили, что если бы 5G уже была развернута, мы бы легче справились с такой нагрузкой.

Одна из задач 5G — создание базы для интернета вещей (IoT). IoT — это коммерческое название для некого набора бизнес-кейсов, оно необходимо, чтобы отличать обычный интернет от интернета вещей. В обычном интернете потребитель и генератор информации — человек, а в интернете вещей генерируют и потребляют информацию устройства — сенсоры, датчики, промышленные установки.

Пятое поколение связи знаменует собой приход платформ с минимальным участием человека, можно сказать, «бесчеловечных платформ». 5G быстрее, эффективнее, но в целом ничего совершенно нового для человека не приносит, а для робота и беспилотника — очень даже. Есть прогноз, что к 2030 году только 2 % трафика будет генерироваться и использоваться людьми. Это очень «опасная» цифра, тоже такая «пугалка», но если будет так, это перевернет отрасль с ног на голову.

Чем 5G отличается от прошлых поколений связи

— 5G — это программно-определяемая сеть. То есть базовая станция стала программно-обновляемой: можно сделать новую прошивку и станции будут поддерживать новые функции, а «железо» менять не придется.

Кстати, «вышка» — жаргонное слово, никто в среде специалистов так не говорит. «Вышка» — это просто железная конструкция, на которой висят антенны и стоят базовые станции. Поэтому правильно говорить «базовая станция».

Кроме того, происходит виртуализация сети — многие функции, которые раньше реализовывались на «железе», на специальных платах, теперь выполняются на обычных серверах.

5G может работать в более высоких диапазонах, [чем предыдущие поколения], и базовых станций нужно ставить больше, потому что покрытие одной базовой станции уменьшается. Соответственно, потихоньку рынок становится более емким, появляются частные сети. Недавно вышло решение Государственной комиссии по радиочастотам о том, что в новом миллиметровом диапазоне, который вводит 5G, можно разворачивать вертикальную сеть для предприятий, не получая операторскую лицензию. Некоторые компании уже начали получать эти частоты.

Кроме того, в мире возникли новые альянсы, которые позволяют выйти на рынок средним и малым производителям, потому что сейчас на рынке оборудования для мобильных сетей работают только монстры — Huawei, Ericsson, Nokia и Samsung. Кроме того, в эту тему активно пошли мировые IT-гиганты — Facebook, Microsoft, они вкладывают деньги в новую инфраструктуру.

Участвуют в этом рынке и государства. Китай, например, вкладывает невероятные деньги в развертывание сети 5G. В новогоднем выступлении перед нацией председатель КНР Си Цзиньпин около пяти минут потратил на разговор о 5G и важности развертывания новой инфраструктуры. В Китае уже активно используются роботы, которые подключены по 5G, доставка товаров переходит на беспилотную, для чего тоже необходим 5G. Видеоконференции, подключение вновь построенных больниц и временных мобильных постов — всё это осуществляется с помощью связи пятого поколения.

Что известно о влиянии технологии 5G на здоровье человека

— В текущей ситуации с паникой вокруг развертывания 5G-сетей нет ничего нового. Появление каждого нового поколения сотовой связи сопровождается всплесками радиофобии. Но сейчас эти настроения проявляются особенно ярко на фоне пандемии коронавируса.

Конечно, никакой связи между 5G и COVID-19 нет. Сторонники теории заговора утверждают, к примеру, что именно запуск сетей пятого поколения в Китае в ноябре 2019 года привел к эпидемии. При этом они забывают или не знают, что первые сети 5G появились в Южной Корее и США еще в апреле 2019 года. А тестовые зоны еще раньше. Это лишь один из очевидных фактов.

Если же говорить о потенциальной опасности беспроводной связи, в том числе 5G, то ученые тщательно исследуют влияние электромагнитного излучения на живые организмы еще с 50-х годов прошлого века. Есть действительно опасное излучение, его называют ионизирующим. Это глубокий ультрафиолет, рентген- и гамма-лучи. Они могут разрушать ДНК живых организмов. Всё, что находится в более низких диапазонах, в том числе радиоволны, относится к неионизирующему излучению. Оно может воздействовать на живые организмы единственным способом: нагревая их. Но даже для небольшого повышения температуры надо находиться очень близко к мощному источнику излучения.

На этом принципе основана работа микроволновой печи — энергия радиоволн в небольшом закрытом пространстве переходит в нагрев. Но мощность самой простой микроволновки составляет 700 Вт, что в несколько раз выше, чем у передатчика базовой станции (до 40 Вт). К тому же энергия, которая распространяется антеннами базовой станции, быстро рассеивается в открытом пространстве. Надо также отметить, что существуют ограничения по мощности радиоэлектронных средств. В России они составляют 10 мкВт/см2, а на западе — в 100 раз больше! Так что бояться сотовой связи однозначно не стоит.

Почему Россия отстает в развитии технологии 5G

— Среди минусов 5G — сильное ценовое давление (требуется больше базовых станций, чем для предыдущих поколений связи, и они становятся дороже — прим. «Бумаги»). Также существует проблема защищенности от санкций и торговых войн. Россия в этом плане находится посередине: есть западный мир, который пытается бороться с Китаем, США, которые хотят построить собственную инфраструктуру 5G, и Россия, которая ни туда и ни сюда. С этим срочно нужно что-то делать.

Основной входной барьер для стран — образование. Современная связь — это прежде всего алгоритмы и математика, реализованные в программном обеспечении, а также микроэлектроника. За эти две области и идет основная борьба.

США лидируют в микроэлектронике, Китай тоже догоняет, там наблюдается активность по переходу к 12-нанометровому техпроцессу и заявляется о наличии 28-нанометрового. В России переход на 28 нанометров обещают в 2030 году, когда, наверное, это уже будет никому не нужно.

Микроэлектроника — очень капиталоемкая и тяжелая отрасль. Чтобы ее поднять, нужно вкладывать большие деньги. А вот алгоритмы, программы и математика — это то, что у нас получается пока хорошо, и вот эту тему надо развивать.

Однако самая главная проблема — отсутствие специалистов. Наши вузы были ориентированы на эксплуатацию чужого оборудования, а не на его разработку. Кроме того, есть проблема большого оттока кадров за рубеж: нужны цифровые архитекторы, алгоритмисты и программисты, то есть прежде всего выпускники математических факультетов.

Как переход к 5G может повлиять на российскую экономику

— У нас есть возможность делать отечественные решения, и это явно меняет экономику. Появляется возможность выходить на этот рынок небольшим, средним и малым компаниям.

Раньше мобильный телеком-рынок выглядел так: был производитель оборудования, например Huawei (сейчас он выигрывает у Ericsson, Nokia и Samsung), дальше идет оператор, обычно у них с производителем тяжелые многоплановые отношения, и чаще всего вендоры побеждают. У нас это видно, потому что наши операторы тотально зависимы от зарубежных вендоров.

Продавая свое оборудование и даже техническое обслуживание, вендоры «вытравили» из компаний-операторов технических специалистов и по факту сейчас и обслуживают сеть, и поддерживают ее, а зачастую даже разрабатывают и строят. Huawei, например, разворачивает сеть связи для «Билайна». То есть оператор остался такой прослойкой, которая, по факту, рисует тарифы. Это страшный момент. Потому что в такой ситуации инфраструктура колоссально зависит от вендора. А альтернативы Huawei [и другим вендорам] у нас нет.

5G будет представлять из себя единую инфраструктуру связи и сервисов для создания систем управления и контроля компаний, городов и государства. Карантин более чем наглядно показал, что мы очень зависимы от систем связи. Поэтому 5G — основной стратегический ресурс. На мобильных сетях будет держаться почти вся система управления.

Мобильный рынок будущего будет состоять из производителя оборудования и производителя программного обеспечения. То есть постепенно одно отделяется от другого, что значительно расширяет палитру участвующих в этом [процессе] компаний. Система сети становится программно-определяемой, и основные функции, как было сказано выше, могут запуститься даже на обычном сервере. То есть, по факту, современная базовая станция, если очень грубо говорить, — это радиоюнит, который принимает и передает сигнал, оцифровывает его и в цифровом виде с минимальной обработкой по оптическому каналу связи сбрасывает вниз, где стоит специализированный, но, в общем-то, обычный вычислитель — компьютер, а все специфические радийные функции обрабатываются софтом.

Соответственно, появляется не только вертикальный вендор, но и производители оборудования, программного обеспечения — у бизнеса возникает возможность строить самому под себя сети без оператора и эта тенденция будет только усиливаться. Это огромная ниша, в которую сейчас пойдут интеграторы, и сами компании будут наращивать у себя соответствующие отделы и компетенции. Государство точно будет строить дополнительную инфраструктуру, независимую от оператора, чтобы управлять страной. Ну и операторы тоже останутся.

Доступ к частотам в России — это печальный вопрос. В России начало активного внедрения 5G будет, я считаю, в районе 2023 года. Вертикальные промышленные сети, которые эксплуатируются без оператора, то есть самой компанией, уже доступны с первого квартала 2020 года. Такую возможность, например, рассматривает «Сибур».

Сейчас в цифровой экономике есть несколько инициатив. Например, Сколтех выиграл конкурс и сейчас разрабатывает отечественную базовую станцию 5G (стоимость проекта 452 миллиона рублей). Этот проект с нашими операторами идет очень тяжело. Но тем не менее к концу 2022 года у нас должна появиться первая небольшая серия отечественных станций 5G. Если получится, это будет очень круто — мы наконец-то перестанем быть заложниками Huawei, Nokia и Ericsson.

Фото на обложке: unsplash.com