Роль инфокоммуникационных технологий в развитии цивилизации, 4-ая научно-техническая революция. 5 G

1.

2.

Литература
1. Гольдштейн Б.С., Кучерявый А.Е. Сети связи пост-NGN. - СПб.: БХВПетербург, 2013. -160 с.
2. Гольдштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г. Сети связи. –СПб.: БХВПетербург, 2010. – 400 с.
3. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи
LTE: технологии и архитектура. – М.: эко-Трендз, 2010. – 284 с.
4. Сомов А.М., Корнев С.Ф. Спутниковые системы связи. – М.: Горячая
линия-телеком, 2012, - 244 с.
5. Быховский М.А. Развитие телекоммуникаций. На пути к
информационному обществу. Развитие спутниковых
телекоммуникационных систем: Учебное пособие для вузов. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2014. – 436 с.
6. Перов А.И. Основы построения спутниковых радионавигационных
систем: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радиотехника, 2012. – 240 с.

3.

Наименование предмета: Научно-технические проблемы радиотехники,
электроники и телекоммуникаций
» специальности 6М071900–«Радиотехника, электроника и телекоммуникации»
(Магистратура научного и педагогического направления)
Тема лекции №1
Роль инфокоммуникационных технологий в развитии цивилизации, 4-ая
научно-техническая революция. 5 G.
Исполнитель: к.т.н., проф. Байкенов А.С.
Кафедра Телекоммуникаций и
инновационных Технологий (ТИТ)
Электронный адрес
[email protected]

4.

Передовые технологии – дополнительные возможности
Важно отметить, что все технологии, на развитие которых сегодня делают ставки крупнейшие
операторы, зачастую неразрывно связаны друг с другом. Прежде всего это облачные технологии,
большие данные (Big Data), интернет вещей (Internet of Things, IoT), машинное обучение (Machine
Learning), искусственный интеллект (Artificial Intelligence, AI). С их помощью игроки рынка создают, в
частности, сервисы умного дома и их тарификацию, умных голосовых помощников, новые B2B-услуги,
игровые платформы, более совершенные алгоритмы таргетирования.
приходом 5G
Ожидается, что с
дополнительный ресурс для развития получат сферы, уже
использующие технологии больших данных, интернета вещей, облаков и искусственного интеллекта.
Среди таких отраслей будут и медицина, и производство, и многие другие – в частности, дополненная
и виртуальная реальность, возможность потоковой обработки больших массивов данных обеспечат
им значительную эффективность и доступность. C помощью сетей нового поколения интернет вещей
получит больше возможностей развития в сложных производственных сферах.
На данный момент 5G только начинает свое проникновение в жизнь пользователей. В сентябре 2020
года коммерческое использование инфраструктуры начали 103 оператора в 46 странах, десятки других
игроков объявили о подобных планах. Аналитики Ассоциации GSM прогнозируют, что лидерство в
проникновении 5G до 2025 года будет принадлежать развитым азиатским странам.

5.

Последние тенденции в мобильной связи
Сама по себе мобильная связь не уходит окончательно на второй план и не прекращает эволюционировать. В этой
области также есть изменения, в частности, все большую популярность получают виртуальные операторы (Mobile
Virtual Network Operator, MVNO) – поставщики услуг, не имеющие собственной наземной инфраструктуры и
арендующие сотовые вышки. Первое место по количеству MVNO занимает Германия: в этой стране около 135
виртуальных операторов. На Европейский регион приходится 64,5% всех абонентов виртуальных операторов в
мире. Это направление также развито в Китае и США.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

Природа глобального кризиса и роль фундаментальной науки: общий взгляд
на проблему
Поворот «лицом к науке», проистекший за последние два-три года, носил, без преувеличения, взрывной характер.
Еще несколько лет назад в высказываниях знаковых лидеров мировой политики основное место отводилось
финансовой сфере; соответствующий сектор экономики рассматривался как доминирующий. Топ-менеджеры
финансовых групп составляли (и продолжают составлять) значительную часть элиты
Главную из них вкратце можно сформулировать так: «Глобальный кризис есть следствие кризиса мировой науки».
В настоящее время общепризнано, что доминирующая роль в повседневном быстром управлении процессами,
происходящими на планете, принадлежит именно финансовому сектору (в широком смысле этого термина).
Главные тренды
1.через 3 года технологии интернета вещей проникнут в 95% электронных устройств. Системы мониторинга, умные
датчики и счетчики, а также облачные системы станут более доступными, и у потребителей проснется интерес к IoT.
По этой причине эксперты Gartner рекомендуют вкладываться в развитие IoT-решений уже сейчас.
2. К 2022 году половину расходов на безопасность в IoT-сегменте составит не защита от угроз, а ликвидация
последствий ошибок, в том числе отзыв товаров и восстановление системы после взломов.

18.

Необходимость перехода к 5G
Расходы на пропуск всё возрастающего трафика по сетям операторов связи по состоянию на 2019 год не
покрывается доходами от традиционных услуг. Поиск новых услуг, т.н. «killer application» традиционных
телеком-платформ обычно не даёт ожидаемых результатов.
Между тем, основной
рост трафика и доходов
происходит не в секторе
устройств людей, а в
секторе устройств
интернета вещей,
который является одной
из базовых целей
функционала 5G.

19.

Рост числа подключённых к сети устройств. Источник: Ericsson
Поэтому, сети 5G можно
считать одной из
необходимых составных
частей цифровой
трансформации и цифровой
экономики.

20.

21.

Стандартизация
Стандартизация технологий и решений 5G должна завершиться к 2021 году, поэтому термином 5G пока
обозначаются лишь фрагментарные решения, которые в будущем войдут в состав полномасштабного решения
IMT2020. Такие решения уже разворачиваются в разных странах, однако они пока носят локальный и тестовый
характер, и не предоставляют весь планируемый функционал сетей стандарта IMT2020.
Основные стандартизирующие организации 5G
3GPP (3rd Generation Partnership Project) – альянс из семи организаций, разрабатывающих различные стандарты
телекоммуникаций, в которые, в свою очередь входят другие партнёры. Задача 3GPP – формулировка технических
требований, оценка предложений, и окончательное принятие стандартов. В середине 2017 года был принята версия
общего стандарта Release 15, разработан Release 16, который принят в 2019 г. Кроме разработки общей архитектуры,
3GPP также разрабатывает стандарты радио-технологий 5G New Radio (NR) для новых частотных диапазонов,
выделяемых под 5G.

22.

ETSI (European Telecommunication Standard Institute), Европейский институт телекоммуникационных стандартов,
который является членом 3GPP, и наиболее активно работает в области разработки стандартов 5G.
IETF (Internet Engineering Task Force) разрабатывает решения модернизации IP-протокола для
поддержки виртуализации сетевых функций NFV (Network Fucntion Vitrualization). Например, IETF разработала
технологию сцепки функций сервисов SFC (Service Function Chaining), которая комбинирует виртуализированные
компоненты архитектуры 5G, например, базовые станции, шлюзы услуг и пакетов данных в едином маршруте.
Это позволяет динамическое создание и сцепку виртуальных сетевых функций VNF (Virtual Network Functions).
IETF работает в тесном взаимодействии с 3GPP.
ITU (International Telecommunication Union) – агентство ООН, расположенное в Женеве, которое занимается
стандартизацией широкого спектра телекоммуникационных технологий. В частности, оно координирует работу
по совместному использованию спектра радиочастот, в т.ч. для сетей 5G.
Кроме этих трёх основных координирующих организаций, есть ряд других, в которых ведётся планомерная
практическая работа по разработке стандартов IMT2020 (5G).
5GPPP (5G Infrastructure Public Private Partnership), считается одним из ведущих партнёрств по стандартизации
5G. Организация ставит амбициозные цели по разработке требований к сети 5G, например, увлечение ёмкости
сети в 1000 раз, снижение энергопотребления пользовательских устройств на 90%, существенное сокращение
времени создания новых сервисов и услуг, полное и безопасное сетевое покрытие и с пренебрежимо малой
задержкой передачи данных, и пр.
NGMN (Next Generation Mobile Networks) Alliance. Альянс мобильных сетей следующего поколения занимается
стандартизацией полного спектра решений 5G. В альянс входит руководство ведущих американских
операторов: AT&T, U.S. Cellular и Verizon.
Кроме указанных, существуют отраслевые и региональные организации, такие как 5G Americas, Small Cell Forum,
которые также вносят большой вклад в разработку и стандартизацию решений 5G.

23.

Дорожная карта стандартизации 5G в 3GPP. Источник: The ABC’s of 5G New Radio Standards. 59923406EN © Keysight Technologies, November 8, 2018

24.

Планируемый график
стандартизации 5G в ITU.
Источник: www.itu.int
Большой вклад в
разработку стандартов
вносят также и крупные
операторы связи, такие как
AT&T, Verizon и др. Они
координируют свою работу
с ETSI и ITU, но иногда
опережают эти
организации. Поэтому
решения этих операторов
часто ложатся в основу
стандартов ETSI и ITU.

25.

Цель создания и назначение сетей 5G
Сети мобильной связи предыдущих поколений имели следующие назначения и функционал:
1G: Услуги передачи речи по аналоговой сети
2G: Услуги передачи речи по цифровой сети, низкоскоростные услуги передачи данных (GPRS, EDGE)
3G: Высокоскоростные услуги передачи данных (HSPA), с возможностью передачи голоса по сети IP, мобильный
доступ к интернет MBB (Mobile Broadband).
4G: Мобильный широкополосный доступ MBB на базе LTE, LTE-A, передача голоса (VoLTE)
Сети 5G значительно расширяют ограниченный функционал мобильных сетей предыдущих поколений. Основными
функциональными особенностями сетей 5G являются следующие:
Усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB (enhanced MBB)
Сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой ULLRC (Ultra Low Latency Reliable Communication)
Массивные межмашинные коммуникации Massive IoT/IIoT, мMTC (massive Machine Type Communication)
На основе этих трёх генерализованных видов функционала строится всё многообразие услуг и возможностей сетей
IMT2020 (5G).

26.

27.

Гигабайты в секунду. Сети 5G способны значительно повысить скорость передачи данных через различные
технологии радиодоступа (RAT), и при помощи задействования новых спектров радиочастот 5G NR (New Radio).
Пользователь получает практически неограниченную полосу пропускания, как для домашнего использования
различных сервисов, так и для целей предприятий (Immersive Telepresence, Industrial IoT и пр.)
Умный дом. Целый спектр различных сервисов интернета вещей (IoT) будет доступен для решения «Умный дом»
(Smart Home) и «Умное здание» (Smart Building): видеонаблюдение, управление и автоматизация бытовой техники,
управление системами безопасности, хранилища контента, климатика и пр.
Умный город. Решение «Умный город» — это горизонтальное и вертикальное масштабирование функционала и
спектра сервисов «Умного дома». Основные сервисы «Умного города»: Безопасный город, электронное
правительство e-Government, электронное здравоохранение e-Health, электронное образование e-Education,
электронный банкинг e-Bank, электронный сбор показаний ЖКХ Smart Meters, «умные электросети» Smart Grid, и
пр.
Новые видеоуслуги 4К/8К: Объёмное видео, экран сверхвысокой чёткости (UHD), возможность эффекта
присутствия.
Работа в облаке. Сервис даёт возможность не только хранить данные в облачном хранилище и извлекать их оттуда,
но и использовать прикладные программы, которые работают непосредственно из облака. Причем, с
возможностью их использования на любом устройстве и из любого местоположения. Кроме того, имеется
возможность использования интерфейсов прикладного программирования API, через которые облачные сервиспровайдеры могут предоставлять свои услуги абонентам оператора сети 5G.

28.

Дополненная и виртуальная реальность (AR/VR). Сервис виртуальной реальности VR (Virtual Reality) погружает человека в иной
мир, воздействуя на его органы чувств, прежде всего зрение (VR-очки). Сервис дополненной реальности AR (Augmented Reality)
комбинирует для пользователя реальную среду с виртуальными предметами. Эти сервисы пригодны не только для развлечения,
игр, виртуального общения в режиме «телеприсутствия», но также могут существенно улучшить процесс обучения, когда студенты
при помощи VR-очков могут, например, наглядно видеть внутреннее строение человека на лекции по анатомии, мастер в цехе
может изучить порядок сборки сложного агрегата и пр.
Промышленная автоматизация. Сеть 5G, вкупе с технологией интернета вещей IoT, при помощи промышленных датчиков IIoT
(Industrial Internet of things), а также при помощи искусственного интеллекта ИИ (AI, Artificial Intelligence) способны существенно
повысить степень автоматизации производства. При этом становится возможным в режиме реального времени анализировать
большие объёмы разнородных данных (Big Data) и на основе полученных выводов (insights) и с использованием машинного и
глубокого обучения (Machine learning, Deep learning).
Бизнес-критичные приложения (Mission Critical Applications). К этим приложениям могут относиться, например, электронная
медицина (e-Health), связь при чрезвычайных ситуациях (Mission Critical Communication), тактильный интернет (Tactile Internet) и
другие.
Беспилотный транспорт (Driverless Vehicles). Беспилотный транспорт может выступать как часть услуги «Умный город», однако,
может предоставляться на собственной платформе. В него входят не только беспилотные автомобили (driverless cars), но также и
беспилотные тракторы для «умного сельского хозяйства» (Smart Agriculture), беспилотные поезда для метро и пригородных
железных дорог, дроны и другие виды общественного и специального транспорта. Кроме того, на платформе 5G возможна
реализация систем помощи водителю ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems).

29.

Следует подчеркнуть, что на рисунке выше показаны лишь некоторые услуги и решения платформы 5G. В отличие
от сетей предыдущих поколений, спектр услуг которых был жёстко ограничен и несколько расширен в 4G, услуги
платформы 5G носят синергетический и масштабируемый характер, и не ограничены однажды заданным
функционалом. Фактически, 5G играет роль платформы для режима разработки новых услуг и
приложений DevOps, когда новые функции создаются разработчиками (Development) в тесной координации с
командами, которые отвечают за их внедрение и эксплуатацию (Operation).
В целом, можно сказать, что сеть 5G вбирает в себя не только мобильные, но также и фиксированные услуги
связи, а также высокоскоростной доступ в интернет с малой задержкой (см. рис. ниже), и, кроме того,
специализированные и корпоративные сети для вертикальных отраслей экономики.

30.

В целом, можно сказать, что сеть 5G вбирает в себя не только мобильные, но также и фиксированные услуги
связи, а также высокоскоростной доступ в интернет с малой задержкой и, кроме того, специализированные и
корпоративные сети для вертикальных отраслей экономики.
Универсальность
платформы
5G/IMT2020

31.

За счет сетей пятого поколения также можно будет улучшить качество использования уже существующих
сервисов, где задействованы большие объемы трафика.
Теодор Сайзер (Theodore Sizer), вице-президент по разработке беспроводных технологий в Bell Labs отмечал, что
в сетях 5G будет работать множество самых разнообразных устройств. Смартфоны и планшеты никуда не
денутся, но, помимо них, в сети появится целый «зоопарк» различных устройств, включая камеры
видеонаблюдения, погодные датчики, датчики «умных» электрических сетей, «умные» дома и автомобили.
В Ericsson заявляли, что 5G положит начало долгосрочному развитию «Сетевого общества» (Networked Society):
Южнокорейский оператор SK Telecom – одна из первых компаний, продемонстрировавшая в действии
технологии 5G, на начальном этапе развертывания сетей нового поколения ориентируется на обычных
пользователей как на основных потребителей услуг, рассказали TAdviser в феврале 2016 года представители
компании. Благодаря 5G пользователи смогут смотреть 3D-телевидение без очков, скачивать за секунды или
смотреть онлайн UltraHD видео на высокой скорости.
Также можно будет использовать на новом уровне приложения виртуальной и дополненной реальности,
отмечают в SK Telecom. Например, включать элементы дополненной реальности в образовательный процесс,
создавая виртуальные музеи и модели вселенной в классах. В проектах «умных городов» 5G позволит в режиме
реального времени передавать информацию с гораздо большего числа сенсоров на различных объектах.
Старший директор Qualcomm Санджив Атали (Sanjeev Athalye) отмечает, что можно будет развернуть тысячу
сенсоров вместо сотни, для обслуживания которых будет достаточно меньшего количества базовых станций, чем
при существующих ныне сетях. Это могут быть, например, сенсоры мониторинга состояния объектов ЖКХ,
сенсоры «умного освещения» или сенсоры звука, установленные в целях безопасности и соблюдения порядка в
городе. В последнем случае сенсоры могут фиксировать подозрительные или слишком громкие звуки, и данная
информация будет автоматически передаваться в службы охраны правопорядка.

32.

Новые сервисы с использованием 5G могут быть реализованы и в медицине. Например, для организации
удаленного мониторинга состояния пациентов. Врач сможет оперативно получать информацию со специальных
сенсоров и следить за состоянием пациентов круглые сутки.
Благодаря очень низким задержкам передачи данных 5G также откроет больше возможностей для удаленного
проведения операций с использованием робота. Такой сервис особенно актуален для небольших населенных
пунктов, где нет хирургов на местах: управляя манипуляциями робота, операцию может провести специалист,
находящийся в совершенно другом месте. За счет 5G такой сервис можно будет развернуть в беспроводных сетях.
Низкая задержка данных, которую способны обеспечить сети нового поколения, важна и для развертывания
«умных» сетей электропередач. Использование датчиков позволит мгновенно обнаруживать повреждения на
линии электропередач и блокировать распространение последствий повреждения дальше по линии. Таким
образом, повреждение затронет меньшее число потребителей электроэнергии.
В крупных производственных компаниях, в ритейле, логистике 5G даст возможность использовать больше
промышленных роботов, выполняющих различные функции вместо людей, а также дронов. Последние уже сейчас
используются на некоторых производствах, но чаще всего управляются с использованием сетей Wi-Fi. 5G позволит
охватить большую дистанцию, чем сети Wi-Fi, а благодаря низким задержкам – повысить стабильность работы
таких систем. Проект развертывания системы доставки товаров с помощью дронов есть, например, у Amazon.

33.

В пример сервисов, для которых будет иметь преимущество 5G, можно привести и городские
системы видеонаблюдения. 5G поможет упростить их развертывание и использование. Сейчас трафик с тысяч
камер в городах, в основном, передается по фиксированным сетям. Развернуть такую инфраструктуру –
непростая задача, поскольку требуется уложить множество проводов. С помощью 5G можно будет получать
терабайты видео высокого разрешения без использования проводов.
Еще один пример – сервис мониторинга транспорта в компаниях. Санджив Атали из Qualcomm полагает, что с
появлением сетей нового поколения операторы, выступающие провайдерами такого сервиса, смогу снизить его
стоимость. Это станет возможным за счет того, что стоимость одной базовой станции 5G будет ниже стоимости
станций для существующих сетей, а также за счет того, что одна базовая станция сможет одновременно
обслуживать большее количество устройств, соответственно, для сервиса потребуется меньше базовых
станций.

34.

Практические преимущества 5G
Платформа сети 5G предоставляет для операторов значительные преимущества, выражающиеся прежде всего, в
расширении функциональных возможностях и характеристик сети (performance) и повышении удовлетворённости
пользователей (User Experience). На рисунке ниже показаны основные параметры сети IMT2020 (5G), по
сравнению с показателями IMT-Advanced (4G), которые позволяют этого достичь.

35.

36.

Пиковая скорость: сеть 5G обеспечивает в 20 раз бòльшую скорость по сравнению с 4G, то есть, около 20
Гбит/с.
Скорость на пользователя (средняя) при этом может достигать 100 Мбит/с и более.
Эффективность использования спектра, количество информации, которую можно передать на единицу
частотного диапазона, в сети 5G будет по крайней мере в 3 раза выше, чем в 4G.
Мобильность пользователя, скорость, с которой может перемещаться пользователь с терминалом 5G по
площади покрытия сети без потери хендовера между базовыми станциями, в сети 5G достигает 500 км/час,
что даёт возможность пользоваться услугами 5G в скоростных поездах.
Задержка в сети 5G снижается до 1 мс и менее, в то время как в сети 4G можно достичь минимум 10миллисекундной задержки. Это позволяет использовать технологию 5G для критичных коммуникаций
и видеонаблюдения, услуг тактильного интернета, AR/VR и пр.
Плотность терминалов в сети 5G повышается на порядок и может достигать нескольких миллионов устройств
на 1 кв. км, то есть, на 1 квадратном метре поверхности могут располагаться несколько десятков или даже
сотен миниатюрных устройств (например, сенсоров IoT).
Энергоэффективность сети 5G на порядок лучше, чем в сети предыдущего поколения.
Ёмкость трафика на единицу площади, то есть скорость передачи данных квадратный метр площади
покрытия сети, в 5G на два порядка выше, чем в сети 4G.

37.

Сравнение характеристик сетей пятого и четвёртого поколения

38.

Требования к сетям 5-го поколения
Согласно стандартам, разрабатываемым партнёрской группой 3GPP, к сетям пятого поколения предъявляются
следующие требования:
- скорости передачи данных в нисходящем потоке до 20 Гбит/с, в восходящем потоке вплоть до 10 Гбит/с;
- возможность тысячекратного наращивания объёма передаваемых данных в будущем относительно того, что
наблюдается на данный момент.
- одновременная поддержка работы до 1 миллиона абонентских устройств на один квадратный километр;
- повышение спектральной эффективности на нисходящих линиях до 30 бит/с/Гц и 15 бит/с/Гц на восходящих
линиях;
- улучшение энергоэффективности в 100 раз, что позволило бы устройствам работать до 10 лет без подзарядки;
- возможность бесперебойной работы линии связи при движении абонентских устройств на скоростях вплоть до
500 км/ч;
- сокращение временной задержки на радиоинтерфейсе до 0.5 мс (для сервисов сверхнадежной межмашинной
связи URLLC) и до 4 мс (для сервисов сверхширокополосной мобильной связи eMBB)

39.

На рисунке ниже показаны соотношения по степени важности для основного функционала 5G
(усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB, сверхнадёжные коммуникации с
низкой задержкой, массивные межмашинные коммуникации) параметров сети 5G, показанных на
предыдущем рисунке.

40.

Основу технологии IMT-2020 составляют следующие нововведения:
1) Использование антенн MIMO (multi input – multi output). Применение антенн данной технологии, во-первых, позволит
увеличить скорость передачи пропорционально увеличению количества модулей в стеке. Во-вторых, даст возможность
реализовать отслеживание положения абонентского устройства в пространстве, что является основой для использования
ортогонального пространственно-временного блочного кодирования [4].
2) Использование диапазона миллиметровых волн. Существующие сети LTE занимают частотный диапазон до 3.5 ГГц. В сетях
пятого поколения планируется использовать частотный диапазон до 60 ГГц, что позволит увеличить ширину занимаемой полосы
частот вплоть до 2 ГГц [5,6].
3) Применение технологии виртуализации сетевых функций (Network Functions Virtualization – NFV), которое позволит расслоить
единую сеть мобильного доступа на различные подсети, каждая из которых будет использоваться в определенных целях. При
этом базовая сеть доступа будет единой, а неисправности и неполадки в отдельных подсетях не будут влиять на другие слои.
4) Использование технологии межмашинной связи М2М (machine-to-machine). При установлении связи напрямую от устройства к
устройству, минуя базовую станцию, появится возможность сократить время пребывания данных в сети, что позволит увеличить
быстродействие сети (сократить задержки).
5G - это 5-е поколение мобильных сетей, значительное развитие современных сетей 4G LTE. 5G была разработана для
удовлетворения потребностей очень большого роста данных и подключаемости современного общества, Интернета вещей с
миллиардами подключенных устройств и завтрашних инноваций. Первоначально 5G будет работать в сочетании с
существующими сетями 4G, а затем перейдет в полностью автономные сети в последующих релизах с расширением покрытия.

41.

Существует концепция трех основных услуг предоставляемых 5G:
1) Массовая межмашинная связь - также называемая Интернетом вещей (IoT), которая включает в себя
подключение миллиардов устройств без вмешательства человека в масштабе, невиданном ранее. Это может
революционизировать современные промышленные процессы и приложения, включая сельское хозяйство,
производство и деловые коммуникации.
2) Сверхнадежная связь с малой задержкой - критически важная задача, включая управление устройствами в
реальном времени, промышленную робототехнику, системы связи и безопасности транспортных средств,
автономное вождение и более безопасные транспортные сети. Связь с малой задержкой также открывает новый
мир, где возможны дистанционное медицинское обслуживание, процедуры и лечение.
3) Улучшенная мобильная широкополосная связь - обеспечивает значительно более высокую скорость передачи
данных и большую емкость, поддерживая связь с миром. Новые услуги будут включать в себя фиксированный
беспроводной доступ в Интернет для дома, услуги для наружного вещания без необходимости использования
широковещательных микросот
и расширенные возможности подключения для
устройств, находящихся
в движении.
Для сообществ 5G обеспечит подключение миллиардов устройств: для умных городов, умных школ и умных домов,
умных и безопасных транспортных средств, улучшит здравоохранение и образование, а также обеспечит более
безопасное и эффективное место для жизни

42.

Основные задачи и виды предоставляемых услуг
Основным видом контента, который превалирует в потоке данных мобильных сетей на данный момент, является
видео-контент. Этот факт стал особенно заметен с внедрением сетей четвертого поколения. Так, на данный
момент, из 27 экзобайт данных, передаваемых по сетям мобильного доступа, 60% составляют видеоматериалы.
Прогнозируется, что к 2024-му году общий поток данных увеличится до 136 экзобайт, из которых уже 74% будет
занимать видео-контент. Из чего следует, что необходимо создание сети, способной обеспечить передачу всего
этого объёма данных.
Одной из самых важных и релевантных услуг, которую планируется внедрить в сетях пятого поколения является
фиксированный беспроводной доступ (FWA).
FWA - это концепция предоставления услуг широкополосной связи для дома и малого и среднего бизнеса, которая
особенно привлекательна в тех случаях, когда отсутствует инфраструктура для обеспечения проводной
широкополосной связи через медные, оптоволоконные или гибридные решения. Его
также можно
использовать,
когда
существующая инфраструктура не может обеспечить достаточный сервис. 5G
обеспечивает пропускную способность в 10-100 раз больше, чем 4G, и в нем можно создавать масштабные
экономичные решения FWA.

43.

Для обеспечения более высокой скорости передачи пользовательских данных и большей пропускной
способности системы радиостанция 5G будет использовать новые и часто более высокие полосы частот. В
настоящее время рассматриваются наиболее известные варианты полосы частот: 3.5 ГГц, 28 ГГц, 37 ГГц и 39 ГГц,
в дополнение к полосам, используемым в устаревших сотовых технологиях.
Методика, называемая формированием луча, облегчает обеспечение покрытия на высоких частотах.
Массивное формирование луча на высоких частотах создает узкие лучи, которые можно легко перенаправить
по мере необходимости. Сигналы от множества пользовательских терминалов могут быть мультиплексированы
одновременно на одном и том же частотном ресурсе в
разных лучах. Эту
технологию
часто
называют многопользовательским множественным входом и множественным выходом (MUMIMO).
FWA работает с использованием беспроводных технологий (таких как 5G) для подключения базовой станции
или точки беспроводного доступа к пользовательскому терминалу особого типа, называемому фиксированным
беспроводным терминалом (FWT), который затем предоставляет услуги обратного рейса для абонентского
оборудования (CPE). Иногда FWT интегрируется с CPE в одном корпусе. Но чаще всего FWT устанавливается в
одном месте (закреплено в определенном помещении) в непосредственной близости от наружной антенны и
редко перемещается

44.

Пример варианта развертывания FWA
Расположение БС
относительно других
узлов зависит от
частоты, на которой она
работает - чем выше
частота, тем меньше
радиус действия
радиолиний от БС. В
основном внутренние
объекты,
обеспечивающие связь
с потребителем, имеют
оранжевый цвет, а
соответствующие
внешние объекты зеленый.

45.

Технологии 5G New Radio (5G NR)
Для того, чтобы удовлетворить всё возрастающие требования к мобильной связи, для 5G были разработаны
технологии, объединённые под общим названием «новое радио 5G», 5G New Radio (5G NR). По сравнению с радиоинтерфейсом в сетях 4G, 5G NR имеет несколько важных преимуществ.
Разработка 5G NR велась практически «с ноля», с учётом требований к сетям 5G и с применением лучших
технологий, которые будут доступны к моменту полномасштабного развёртывания сетей 5G. Таким образом, в 5G
NR используются новейшие технологии модуляции, образования форм волн (waveforms) и технологий радиодоступа
RAT (Radio Access Technology), которые, в т.ч., будут обеспечивать высокую скорость передачи данных и удлинение
срока службы батарей пользовательских устройств 5G.

46.

Основные требования стандарта 3GPP. Источник: ITU, Nokia, Qualcomm
Предварительн
ые требования к
технологии 5G
NR появились в
стандарте 3GPP
Release 15,
утверждённом в
декабре 2017, и
окончательный
вариант
утверждён в
декабре 2019 г.

47.

Основные отличительные особенности радио-технологии 5G NR – следующие:
Добавление новых диапазонов радио-спектра, согласно требованиям к скорости передачи сигналов, числа
устройств, роста трафика многочисленных приложений 5G. Новые диапазоны 5G NR лежат в пределах от 2,5
до 40 ГГц. Ведутся обсуждения об использовании спектра до 100 ГГц.
Оптимизированная технология OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с
ортогональным частотным разделением каналов). Эта технология уже была успешно применена в 4G/LTE-A, а
также в последних версиях Wi-Fi.
Формирование лучей (Beamforming). Это технология, которая лишь в последние годы перешла от концепции
к реализации, и которая способна реализовать многие преимущества 5G. Beamforming даёт возможность
направлять луч радиоволн от базовой станции на определённые устройства, как движущиеся, так и
неподвижные, без влияния на другие лучи, направленные на те же устройства.

48.

Формирование лучей Beamforming. Источник: Analysys Mason

49.

MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO – Метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий
увеличить полосу пропускания канала, который уже применялся в Wi-Fi и 4G, в 5G был значительно
усовершенствован, в частности, в многопользовательском режиме MU-MIMO (Multi-User- MIMO) в базовых станциях
5G gNnodeB (gNB), антенны которых состоят из матрицы излучающих элементов. Это даёт возможность усиливать
уровень сигнала для конкретного пользователя, в то же время минимизируя влияние данного сигнала на других
пользователей.
Технологии совместного использования спектра (Spectrum sharing). Многие спектры радиочастот, соответствующим
образом распределённые, часто не используются эффективно. Для решения этой задачи были разработаны
технологии Spectrum sharing.
Унифицированное межчастотное взаимодействие (Unified design across frequencies). Поскольку в 5G NR добавлено
множество новых частотных диапазонов, важно обеспечить интерфейс взаимодействия при переходе канала с
одной частоты на другую при хендовере между базовыми станциями.
Маленькие соты (Small cells). Уплотнение сетевого покрытия ведёт к тому, что число базовых станций должно
увеличиваться. Поэтому было предложено решение Small Cells – решение недорогих, простых в установке и
обслуживании базовых станций небольшой мощности. Их можно развешивать на мачтах уличного освещения, на
стенах домов и других объектах. Сеть 5G способна эффективно координировать их работу, перераспределяя
нагрузку между антеннами. При этом можно использовать распределённые антенные системы DAS (Distributed
Antenna System) фактически «закрывая» одной или несколькими базовыми станциями многоэтажные здания.
Небольшие антенны с радио-блоками можно располагать практически в каждом помещении, обеспечивая
наилучшее качество связи.

50.

Архитектура опорной сети (Core Network) 5G
Особенность архитектуры сети 5G состоит в том, что традиционное понятие «архитектура сети», основанной на
аппаратных решениях, в сети 5G теряет актуальность.
Поэтому 5G чаще называют не сетью, а системой, или «платформой», под которой имеется в виду платформа
программная, а не аппаратная. Если сети 1/2/3/4G строились на базе аппаратных решений (оборудования), то платформа
5G строится на базе программных решений, в частности, программно-конфигурируемых сетей SDN (Software Defined
Network), а также виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization).
Функции 5G реализуются в виртуальных программных функциях VNF (Virtual Network Function), которые работают в
инфраструктуре NFV. Различие между этими похожими по звучанию понятиями состоит в том, что VNF – это функция, а NFV
– это технология. В свою очередь, NFV реализуется в физической инфраструктуре дата-центров (data center, DC, центр
обработки данных, ЦОД), на базе стандартного коммерческого оборудования COTS (Commercial Off The Shelf).
Оборудование COTS включает лишь три вида стандартных, относительно недорогих устройств – сервер (вычислительное
устройство), коммутатор (сетевое устройство) и система хранения данных (устройство хранения).

51.

Переход к виртуальным платформе SDN/NFV в 5G. Источник: HPE, TAdviser
Таким образом, оборудование
традиционных сетей мобильной
связи заменяется на программные
сущности, работающие в датацентрах на стандартных серверах и
виртуальных машинах VM (virtual
machines).
Для реализации программных
функций, кроме виртуальных
машин, также будут
использоваться программные
контейнеры (containers), а также
программная архитектура
микросервисов (microservice).
Распределённая архитектура сети
мобильного доступа D-RAN
(Distributed RAN) в сетях 4G
постепенно эволюционирует к
централизованной архитектуре CRAN (Centralized RAN).

52.

В архитектуре 5G функции опорной сети реализуются в центральном облаке Central Cloud (Cloud RAN), на
виртуальных машинах VM. Важную роль в развитии сетей 5G будут играть также граничное облако (Edge
Cloud), в частности, технология MEC (Mobile Edge Cloud), а также «туманное облако» (Fog Cloud).
Виртуализация сети на базе NFV/SDN необходима также для очень полезной функции 5G: логической
сетевой нарезки (Network Slicing).
Общая архитектура
сети 5G. Источник:
ЦПИКС

53.

Технология Network Slicing позволяет на базе единого объёма (пула) сетевых ресурсов производить логическое
разделение сетей для различных типов услуг 5G, которым требуются различные технологии радиодоступа RAT
(Radio Access Technology), с различными характеристиками сред передачи данных. Это, например, услуги:
- Высококачественное видео UHD
- Голосовые услуги (5G Voice)
- Интернет вещей с большим количеством датчиков, сенсоров и исполнительных устройств (Massive IoT)
- Интернет вещей для критичных приложений, таких, например, как беспилотный транспорт (V2X),
электронная медицина (Mission Critical IoT)
- и многие другие.
Все эти услуги, предоставляемые на базе технологии Network Slicing работают на единой физической
инфраструктуре дата-центров центрального и граничного облака, а также «туманной» инфраструктуры (Fog
Computing), необходимой для Massive IoT и промышленного интернета вещей IIoT (Industrial IoT).
Это даёт возможность многократного использования однажды созданной программно-аппаратной
инфраструктуры, а также гибкое переназначение её наличных ресурсов. Кроме того, такой подход позволяет
снизить не только капитальные затраты на строительство сети, но и операционные затраты на её обслуживание.

54.

Нарезка сетевых ресурсов (Network Slicing)
В 5G используется такая концепция, как network slicing. Это, грубо говоря, нарезка сетевых ресурсов под разные
типы трафика, причем для каждого слайса (буквально — куска сети) может использоваться своя технология
передачи данных. Благодаря гибкости подхода можно удовлетворить самые разные и даже противоречивые
требования пользователей разных типов. Для передачи веб-данных вполне подходит LTE — его нужно только
немного доработать, повысить скорость.
Для передачи данных с маленькой задержкой будет использоваться специальный слайс, который называется
ultra-reliable low latency communication. Он позволяет передавать данные с крайне низкой задержкой. Если в LTE
минимальная длительность передачи одна миллисекунда, то здесь минимальная длительность передачи будет
длиться доли миллисекунды, а надежность будет очень высокой, до 99,999%.
₽4G интернет Москва • От 6 900 ₽Комплекты оборудования безлимитного и высокоскоростного интернета от 9900
рублейУзнать большеinternet-za-gorod.ru
Отдельный слайс в рамках 5G отведен IoT. Он позволяет передавать данные большим числом устройств с низким
энергопотреблением.

55.

Кроме того, будет слайс для высокоскоростной передачи данных в миллиметровом диапазоне, то есть в
диапазоне частот от 30 до 300 ГГц. Например, в привычном диапазоне 2–5 ГГц ширина используемого
частотного канала, в котором передаются данные, относительно небольшая и составляет единицы, реже —
десятки МГц. В диапазоне 40–70 ГГц доступного для использования спектра существенно больше, что
позволит увеличить ширину частотного канала до сотен и тысяч МГц и более. Таким образом,
миллиметровый диапазон — это практически «эквивалент бесконечности» для операторов (в смысле
объема доступных канальных ресурсов). Проблема заключается в том, что приходится передавать данные
только устройствам, которые находятся в прямой зоне видимости, иначе качество сигнала резко падает[2].
В некотором смысле 5G станет «слоеным пирогом», совмещающим различные технологии, использование
каждой из которых будет определяться в зависимости от требований конкретного пользователя.

56.

Безопасность сетей 5G
: Проблемы с протоколом Authentication and Key Agreement
По сообщению от 13 ноября 2018 года команда исследователей
из Швейцарии, Франции и Великобритании выявила проблемы с протоколом безопасности 5G, известным как
Authentication and Key Agreement (AKA). Недостатки были вскрыты благодаря использованию инструмента Tamarin,
который считается наиболее эффективным для изучения криптографических протоколов. AKA представляет собой
стандарт, к которому причастен разработчик коммуникационных протоколов 3rd Generation Partnership Project
(3GPP).
Тот тип AKA, который связан с 5G, должен гарантировать, что устройство и сеть 5G
способны аутентифицировать друг друга, поддерживая конфиденциальный обмен данными и сохраняя в секрете
идентичность и местонахождение пользователя. Однако исследователи утверждают, что в нынешнем виде AKA
может не выполнять этих функций, поскольку изложенные в нем требования недостаточно точны.
Команда исследователей выражает уверенность, что обеспечение безопасности 5G с помощью AKA будет более
надежным, чем для сетевых протоколов 3G и 4G. Тем не менее, имеются недостатки. В частности, возможно
обнаружение местонахождения телефона в определенном районе, хотя и без раскрытия идентичности владельца.
Более того, из-за уязвимости AKA может ошибочно взиматься плата за использование сети 5G другим
пользователем.

57.

Исследователи рекомендуют внести ряд исправлений. Например, придать безопасности AKA необходимые свойства, которые
сейчас отсутствуют, и модифицировать компонент подтверждения ключа. По их мнению, AKA не обеспечивает
адекватной защиты личных данных от активных атакующих. Но исправить этот недостаток будет непросто.
Исследователи надеются привлечь 3GPP к работе над совершенствованием AKA и завершить ее прежде, чем начнется широкое
распространение 5G.
Агентство Европейского Союза по сетевой и информационной безопасности (European Union Agency for Network and Information
Security, ENISA) также выпустило доклад, в котором предупреждает, что выявленные недостатки протоколов сигнализации в сетях
2G, 3G и 4G могут возникнуть и в сетях 5G.
Исследования компании Ericsson показывают, что к 2023 г. может появиться 3,5 млрд. устройств интернета вещей (IoT).
₽Репитеры Titan. Официальный дилерРосТест. Официальная гарантия производителя. Скидки и подарки. Успейте купить!Узнать
большеnavitop.ru
Небезопасная сеть 5G представляет поле для все более распространенных атак благодаря своей высокой скорости, которая
увеличивает количество доступных объектов атаки.
Нетрудно представить себе, чем может обернуться массированная DDoS-атака на предприятие, использующее сенсоры IoT,
подключенные к сети 5G.
Компания ARM, разрабатывающая архитектуру процессоров, создает набор ПО, который позволит устройствам IoT работать с
чипами SIM-карт, что сделает их подобными смартфонам с тарифными планами на мобильную связь. Тогда отпадет
необходимость подключать устройства IoT через Wi-Fi. Однако хакеры могут атаковать SIM-карты и приводить их в негодность.
Они способны также при атаке SIM-карт распространять вредоносный код с помощью текстовых сообщений.
Пока рано говорить, будут ли хакеры использовать уязвимости SIM-карт, если они появятся в устройствах IoT, но такая
возможность имеется. В любом случае очевидно, что возможности, которые предоставляет 5G, могут способствовать усилиям
хакеров по организации все более разрушительных атак с использованием как уже известных, так и появляющихся методов.

58.

Радиоинтерфейс 5G (NR) использует частотный диапазон более эффективно, чем 4G. Наряду с сотовой связью, 5G
благодаря возможностям его гибкой настройки (чего нет в 4G), может эффективно использоваться для IoT
(например, для датчиков ЖКХ), и для прочих современных сервисов, упомянутых в статье. Эти преимущества
несомненно будут являться основным мотивом внедрения технологии 5G в России.
Задачи охвата сотовой связью огромных российских территорий, причем преимущественно с использованием
существующих вышек и прочей инфраструктуры, заставляет обратиться в первую очередь к частотному диапазону
5G, названному в стандарте FR1 < 6 ГГц. Этот диапазон давно используется для сотовой связи 2G, 3G, 4G. По такому
пути пошло внедрение 5G на всей территории США.
Для восходящего направления связи в США используются низкие частоты, для нисходящего - более высокие, что
позволяет снизить мощность передатчика смартфона по сравнению с передатчиком базовой
станции/ретранслятора. В России это могут быть диапазоны < 1 ГГц (пишут про 694-790 МГц) для восходящего
направления и 4,8-4,99 ГГц для нисходящего.
Диапазон 5G, называемый FR2 > 24 ГГц, имеет малый диаметр сот порядка 200 м, и его радиоволны легко
затеняются растительностью, осадками и стенами домов. К тому же общественное мнение в мире настроено
против всеобщего применения миллиметровых волн для сотовой связи, вплоть до сжигания вышек. Скорее всего,
такое случилось из-за отсутствия достоверных исследований вреда для здоровья излучений миллиметрового
диапазона. Поэтому первоочередное применение диапазона FR2, скорее всего произойдёт не в смартфонах, а,
например, для роботизации производств.

59.

Радиоинтерфейс 5G (NR) использует частотный диапазон более эффективно, чем 4G. Наряду с сотовой связью,
5G благодаря возможностям его гибкой настройки (чего нет в 4G), может эффективно использоваться для IoT
(например, для датчиков ЖКХ), и для прочих современных сервисов, упомянутых в статье. Эти преимущества
несомненно будут являться основным мотивом внедрения технологии 5G в России.
Задачи охвата сотовой связью огромных российских территорий, причем преимущественно с использованием
существующих вышек и прочей инфраструктуры, заставляет обратиться в первую очередь к частотному
диапазону 5G, названному в стандарте FR1 < 6 ГГц. Этот диапазон давно используется для сотовой связи 2G, 3G,
4G. По такому пути пошло внедрение 5G на всей территории США.
Для восходящего направления связи в США используются низкие частоты, для нисходящего - более высокие, что
позволяет снизить мощность передатчика смартфона по сравнению с передатчиком базовой
станции/ретранслятора. В России это могут быть диапазоны < 1 ГГц (пишут про 694-790 МГц) для восходящего
направления и 4,8-4,99 ГГц для нисходящего.
Диапазон 5G, называемый FR2 > 24 ГГц, имеет малый диаметр сот порядка 200 м, и его радиоволны легко
затеняются растительностью, осадками и стенами домов. К тому же общественное мнение в мире настроено
против всеобщего применения миллиметровых волн для сотовой связи, вплоть до сжигания вышек. Скорее
всего, такое случилось из-за отсутствия достоверных исследований вреда для здоровья излучений
миллиметрового диапазона. Поэтому первоочередное применение диапазона FR2, скорее всего произойдёт не
в смартфонах, а, например, для роботизации производств.

60.

Massive MIMO O-RAN Radio Units (O-RU): Design & Conformance
ONF open source