Что такое 5G и как работают сети

Беспроводная связь нового, пятого поколения (5G) — это новейшая версия сотовой технологии. 5G был разработан, как стандарт связи, увеличивающий не только скорость передачи, но и пропускную способность беспроводных сетей. А также уменьшающий задержки по сравнению с предыдущими стандартами беспроводной связи.

5G идеально подходит для телекоммуникаций, Интернета вещей (IoT) и для частных сетей, использующих частный 5G.

Развертывание новых сетей было начато сотовыми компаниями в 2019 году. Новый стандарт стал преемником 4G – стандарта четвертого поколения беспроводной связи. Благодаря 5G данные, которые передаются через широкополосную, беспроводную связь, могут передаваться на мультигигабитных скоростях.

Например, могут достигать идеальной пиковой скорости 20 гигабит в секунду (Гбит/с).Эти скорости превышают скорости проводной сети и могут обеспечивать задержку менее 5 миллисекунд (мс) или ниже! Что полезно для таких приложений, которые требуют обратной связи в реальном времени.

5G – это резкое увеличение объёма данных, передаваемых беспроводными системами связи, благодаря доступности большей полосы пропускания и передовой антенной технологии.

Как работает 5G

Использование 5G становится возможным благодаря конструкции радиоинтерфейса 5G New Radio (5G NR).

Последняя действует как спецификация для сетей 5G и описывает, как продукты 5G передают данные с помощью сетевой инфраструктуры 5G NR. Она использует множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов — ту же технологию радиодоступа, что и сети 4G LTE. Таким образом, беспроводная технология 4G LTE обеспечивает основу для 5G.

Более того, 5G также использует новые методы, такие как QAM (квадратурная амплитудная модуляция), формирование диаграммы направленности и другие новые функции, которые повышают эффективность сети и уменьшают задержку.

Как устроена сеть 5G

Сеть 5G складывается из определенных секторов. Каждый сектор, в свою очередь, объединяет множество мелких сотовых станций (узлов передачи радиоволн).

Для сети 4G необходимы большие и мощные радиовышки для передачи сотовой связи на дальние расстояния. А для сети 5G требуется большое количество, но малых станций, которые можно удобно расположить и на крышах зданий и, даже на столбах. Использование нескольких таких небольших станций необходимо из-за особенностей спектра миллиметровых волн (ММВ).

Диапазон миллиметровых волн (ММВ), который характерен для технологии 5G и обеспечивает высокие скорости передачи данных. Этот спектр способен передавать данные только на небольшие расстояния и более чувствителен к помехам от погодных условий и физических препятствий.

Проблемы 5G и их решение

5G, работающая только в миллиметровом диапазоне, может покрывать только городской квартал в пределах прямой видимости от сотовой станции или узла.

Недостаточная распространенность беспроводной связи 5G обусловлена двумя, вытекающими друг из друга, ограничениями:

1. Низкая проникающая способность: высокочастотные волны требуют более близкого расположения к источнику сигнала так, как хуже проникают внутрь зданий, чем волны низкой частоты.
2. Плотная инфраструктура: из-за ограниченной дальности сигнала требуется больше узлов связи.

Радиоволны высоких частот могут быть легко заблокированы такими объектами, как деревья, стены и здания.

Низкочастотный диапазон Sub-6 5G

Sub-6 5G достигает больших расстояний, чем диапазон ММВ, но имеет меньшую скорость и емкость по сравнению с ММВ.

Спектр 5G разделен на миллиметровые волны (высокочастотный диапазон) и Sub-6 5G (низкочастотный и средний диапазоны). Несмотря на то, что Sub-6 5G не так быстр, как ММВ, он все же обычно быстрее, чем средние скорости 4G LTE.

Низкие частоты являются самыми медленными из скоростей 5G, но все же быстрее, чем скорости 4G LTE. Для сравнения, средний диапазон быстрее, чем нижний, но медленнее чем диапазон ММВ.

Решение проблем ограничения 5G

Оптимальным решением проблемы ограничений стало использование всего спектра частот миллиметровых волн вместе с расширением инфраструктуры в густонаселенных районах. Реализация всех диапазонов частот 5G обеспечивает сплошное покрытие, максимальную скорость в районах с наибольшей посещаемостью.

Были разработаны различные подходы:

1. Подход «грубой силы»: предполагает использование нескольких узлов вокруг каждого квартала населенной территории, чтобы устройство с поддержкой 5G могло использовать радиоинтерфейс — переключаясь с узла на узел, сохраняя при этом скорость миллиметровой волны (ММВ).
2. Подход с использованием Sub-6 5G: Другой, более реальный способ решения проблем. Это использование первого подхода в сочетании с более низкочастотным беспроводным спектром (Sub-6 5G).

ММВ по-прежнему используется в густонаселенных районах, а частоты Sub-6 можно использовать в районах менее населенных. Низкие частоты могут распространяться на сотни квадратных километров.

Скорость работы 5G

5G обеспечивает среднюю скорость, примерно, в 10 раз больше чем 4G LTE. А по пиковым показателям разница доходит до 20 раз – до 1 Гбит/с у сети 4G LTE против 20 Гбит/с у сети 5G.

Каждый диапазон спектра 5G работает на разных частотах:

• Низкий диапазон – до 1 ГГц, но все равно выше, чем скорости 4G LTE.
• Средний диапазон – от 3,4 ГГц до 6 ГГц.
• Высокий диапазон – от 30 до 300 ГГц.

Скорость каждого диапазона разная и варьируется в зависимости от таких факторов, как оператор связи, расстояние, объем трафика в сети или наличие препятствий (в случае миллиметровых волн).

Тем не менее, средняя скорость работы 5G может достигать 3,6 Гбит/с. Это значительно выше, чем скорость устройств в сетях предыдущего поколения (4G LTE около 600 Мбит/с). Операторы также сообщают о пиковых показателях скорости передачи до 20 Гбит/с.

Хотя 5G уже широко доступна, многие не считают ее прямой заменой 4G. На сегодняшний день, имея области с высокой мультигигабитной скоростью загрузки, пользователи чаще всего сталкиваются со скоростями 5G в среднем или низком диапазоне.

Даже в городских районах с технологией ММВ 5G скорость может снизиться, если сигналу приходится преодолевать преграды (стены, бетонные перекрытия и т.д.). Из-за этого многие пользователи могут заметить лишь незначительное улучшение скорости по сравнению с 4G.

И, тем не менее, в большинстве случаев скорости 5G по-прежнему считаются высокими, что делает гораздо более жизнеспособным потребительское использование, например, беспроводную потоковую передачу видео в разрешении 4K.

Преимущества 5G

Несмотря на то, что недостатки 5G очевидны, если принять во внимание то, насколько чувствителен миллиметровый диапазон к помехам, 5G по-прежнему имеет множество преимуществ, а именно:

• Использование более высоких частот.
• Высокая пропускная способность.
• Расширенный мобильный широкополосный доступ.
• Меньшая задержка – 5 мс.

Более высокие скорости передачи данных откроют новые технологические возможности в сетях 5G, такие, как потоковая передача 4K или потоковая передача виртуальной реальности практически в реальном времени.

Гибкость покрытия обеспечивается благодаря мобильной сети, состоящей из частот нижнего, среднего и миллиметрового диапазонов.

5G и 4G: различия

Каждое новое поколение сотовой связи отличается скоростью передачи данных и методами кодирования, и это требует от нас, как от конечных пользователей обновления своего оборудования.

4G может поддерживать скорость до 1 Гбит/с и при этом показатели постепенно продолжают расти. На данный момент 4G в 500 раз эффективнее, чем 3G. 5G может быть в 100 раз эффективнее, чем 4G.

Одним из основных отличий 4G от 5G является уровень задержки, который у 5G гораздо меньше. 5G использует кодирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), аналогичное 4G LTE. Однако 4G использует каналы шириной 20 МГц, объединенные на частоте 160 МГц. 5G поддерживает каналы от 100 до 800 МГц, что требует использования более крупных блоков частотного спектра, чем в случае с 4G.

Где используется 5G

Технология 5G отлично подходит как для использования в бизнесе и на предприятиях, так и для повседневного потребительского применения.

Вот лишь некоторые примеры использования 5G:

• Потоковое видео высокого качества.
• Связь между устройствами в среде IoT.
• Более точное отслеживание местоположения.
• Услуги фиксированной беспроводной связи.
• Связь с низкой задержкой.
• Улучшенные возможности аналитики в реальном времени.

Помимо улучшения скорости, емкости и задержки, 5G предлагает функции управления сетью, в том числе разделение сети, которое позволяет операторам мобильной связи создавать несколько виртуальных сетей в рамках одной физической сети 5G.

Возможность создания виртуальной сети позволяет поддерживать раздельные бизнес-сценарии и может продаваться как отдельная услуга.

Например, беспилотному автомобилю может потребоваться участок сети, обеспечивающий чрезвычайно быстрое соединение с малой задержкой, чтобы автомобиль мог перемещаться в режиме реального времени. Однако бытовую технику можно подключить через менее мощное и медленное соединение. Поскольку высокая производительность в данном случае, не имеет решающего значения. А интернет вещей может использовать безопасные соединения только для передачи данных.

Какие телефоны поддерживают 5G

Как упоминалось выше, старые девайсы не способны поддерживать новые технологии. Для работы с сетью 5G недостаточно, просто обновить ПО на телефоне 4G. Чтобы иметь возможность использовать 5G, необходимо иметь соответствующее устройство поддерживающее 5G, оператора связи обеспечивающего 5G, и находиться в зоне действия узла 5G.

Большинство новых телефонов, выпущенных сегодня, разработаны для поддержки 5G. Например, iPhone от 12-го и выше поддерживают 5G, Google Pixel от 5-го и выше, почти все китайские производители уже выпускают телефоны с поддержкой 5G-технологии.

История технологии 5G

Примерно в то же время, когда в 2019 году состоялся первый запуск сети, первые 5G-совместимые смартфоны и связанные с ними устройства начали становиться коммерчески доступными. Развертывание сетей 5G, операторы связи, начали с создания своей инфраструктуры для низкочастотного диапазона ММВ.

Несмотря на то, что он также относится к 5G, он не обеспечивает той невероятной скорости ММВ диапазона, которую рекламируют некоторые нечистоплотные операторы связи.

Ложная сеть 5GE

На раннем этапе разработки 5G компания AT&T выпустила сеть 5GE. Пользователи 4G LTE получили обновление, которое «обновило» их до 5GE. Однако 5GE был всего лишь ребрендингом сети AT&T Gb 4G LTE. Компания AT&T заявила, что предлагаемые скорости передачи данных очень близки к реальным скоростям 5G. На самом деле это не так.

Буква G означает поколение (5G – это беспроводная связь 5-го поколения). Новое поколение означает, что требуется новое оборудование, чаще всего не совместимое с предыдущим. Поэтому пользователи не смогли бы обновить свои телефоны для поддержки 5G. Скорее, им нужно было бы приобрести новые телефоны, полностью поддерживающие 5G.

Сеть 5GE – это был маркетинговый ход компании AT&T, который вводил в заблуждение людей, не знавших об особенностях технологии 5G.

Сети 5G в мире

Verizon был одним из первых, кто начал создавать свою архитектуру 5G высокочастотного ММВ-диапазона. Однако этот процесс является дорогостоящим и поначалу был представлен только в ограниченном количестве конкретных районов Чикаго.

Сейчас, многие операторы предлагают на своих веб-сайтах карты покрытия, показывающие, где они обеспечивают покрытие высокочастотного 5G, Sub-6 или 4G. Следует заметить, что каждая компания имеет свое название для каждой предлагаемой ими группы. Например, Verizon называет свой 5G mmWave «5G Ultra Wideband», AT&T называет его «5G+», а T-Mobile называет «5G Ultra Capacity».

Сети 5G в России

В РФ диапазон частот для сетей 5G был утвержден правительством конце января 2024 года. Утвержденный диапазон 4,4–4,99 ГГц, будет применяться в городах с населением от 100 тыс. человек, а также в густонаселенной местности.

Операторы сотовой связи замечают, что диапазон 4,4–4,99 ГГц имеет много ограничений. Например, довольно мало вендеров из других стран выпускают базовые станции 5G для такого диапазона. Тем не менее эта проблема не должна негативным образом отражаться на России.

Необходимое 5G оборудование будет закупаться только у отечественных производителей.

Тестирование сети 5G пройдет в следующих регионах: Москва, Петербург, Казань, Новосибирск, Нижний Новгород, а также в Московской и Ленинградской областях.

Влияние 5G на экономику

Внедрение стандарта 5G может оказать существенное позитивное влияние на экономику государства. Для примера можно рассмотреть влияние технологии 5G на экономику США. Создание комплекса стоимости – 5G плюс дополнительные услуги, и поддержка этим комплексом широкого спектра отраслей оказали заметное влияние на экономику.

В 2019 году позитивное влияние технологии 5G на ведущие отрасли экономики США выражалось в следующих цифрах:

• здравоохранение – 530 миллиардов долларов
• коммунальные услуги – 330 миллиардов долларов
• медиа-приложения – 254 миллиарда долларов
• промышленное производство – 134 миллиарда долларов
• финансовые услуги – 85 миллиардов долларов.

В том же году исследование PwC прогнозировало, что к 2030 году общий эффект только 5G на экономику США составит 1,3 триллиона долларов. В другом отчете, опубликованном CTIA, сообщалось:

в 2020 году, общая индустрия беспроводной связи заработала более 1,3 триллиона долларов и добавила в американскую экономику почти 4,5 миллиона рабочих мест.

История сотовой беспроводной связи

Первый стандарт беспроводной связи 1G был запущен в 1979 году, в Японии, корпорацией Nippon Telegraph and Telephone. К 1984 году Япония стала первой страной, которая имела сеть первого поколения по всей своей территории. 1983 год – компания Motorola представляет первый, коммерчески доступный, мобильный телефон под названием DynaTAC.

Сеть второго поколения (2G) была первоначально запущена в Финляндии в 1991 году. Стандарт 2G значительно улучшил качество мобильной связи. А именно: произошло улучшение качества звука и уменьшение статики. Также 2G позволила ввести шифрование вызовов. Еще одним важным дополнением к 2G стала возможность передачи мультимедийного контента.

2001 год – беспроводная связь третьего поколения (3G). Третье поколение фокусировалось на стандартизации сетевых протоколов различных поставщиков. Самым большим улучшением 3G стало увеличение скорости, что позволило пользователям выходить в Интернет на своих мобильных устройствах.

Возможности по передаче данных у 3G были в четыре раза выше чем у 2G. Также были введены услуги международного роуминга.

Беспроводная связь четвертого поколения была представлена в 2009 году. 4G позволил пользователям транслировать высококачественное видео с более быстрым мобильным доступом в Интернет. В 2011 году сети LTE начали запускаться в Канаде. 4G LTE по-прежнему широко распространен.

Разработка 5G началась в 2015 году, совместной группой телекоммуникационных ассоциаций 3GPP. Первоначальной целью 3GPP была разработка глобально применимых спецификаций для мобильных систем 3G. 3GPP собирается четыре раза в год для планирования и разработки новых стандартов. Каждый стандарт совершенствует предыдущий, обеспечивая при этом новые стандартизированные функции.

В 2017 году были выпущены пятые спецификации 5G и 5G NR. Год спустя, в 2018 году, 3GPP утвердил версию 16, которая включала несколько спецификаций, в том числе разделение сети. Запуск 5G состоялся в 2019 году, при этом Verizon стала одним из первых операторов связи, разработавших мобильную сеть 5G в Чикаго и в Миннеаполисе. Примерно в то же время другие операторы связи (Sprint, AT&T, T-Mobile), начали запускать собственную инфраструктуру и услуги 5G.

Некоторые компании начали концентрироваться на высокоскоростной инфраструктуре миллиметрового диапазона, в то время как другие решили сначала инвестировать в развитие более низких частот.

В 2020 году вышла версия 16 стандарта 3GPP, предназначенная для применения в сетях 5G таких, как автомобильный и промышленный Интернет, а также для Интернета вещей. Релиз версии 18 состоялся в 2022 году и включал в себя обновления системной архитектуры, сервисов, аспектов безопасности, мультимедийных кодеков, а также функций управления и оплаты.

Принцип работы беспроводной связи 5G

Пётр Логовой

Выпускник факультета журналистики, пишет, не только о смартфонах, гаджетах и сетевой безопасности. Сторонник тем, доказывающим, что новые технологии проникают в нашу повседневность на регулярной основе.