В прошлой статье я в общих чертах описал сотовую связь поколения 5G, как будет видеть и ощущать её пользователь. В этой статье я чуть более коснусь основных особенностей её физической реализации.
Про диапазоны и безопасность
Как я уже говорил, согласно спецификации 3GPP TS 38.104 v.16.4.0 от 17.07.2020 (глава 5.1, таблица 5.1-1), 5G будет работать одновременно в двух диапазонах: FR1: 410 МГц — 7125 МГц и FR2: 24250 МГц — 52600 МГц. Первый диапазон (более низкочастотный) совпадает с диапазонами работы сетей предыдущих поколений. Второй диапазон является новым для сотовой связи.
Чем выше частота электромагнитной волны диапазона сотовой связи (УВЧ-СВЧ-КВЧ), тем в общем случае хуже она проникает сквозь препятствия. Волны второго высокочастотного диапазона плохо проходят даже сквозь листву деревьев, что уж говорить о бетонных стенах домов. Но зато высокочастотный диапазон очень обширный, и через него можно пропустить намного больше трафика за счёт увеличения количества параллельных каналов передачи данных.
Таким образом, 5G будет использовать оба диапазона так, чтобы максимально использовать преимущества каждого. Первый диапазон будет работать так же, как и 4G, а для второго будет расставлено много маломощных передатчиков через каждые 100 метров.
Замечу, что высокочастотный диапазон, как ни странно, выглядит более безопасным с точки зрения здоровья. Основное облучение человек получает не от антенн базовой станции, а от собственного телефона, находящегося в непосредственной близости. При этом мощность излучения телефона падает с увеличением частоты, что видно по первым двум строчкам, и качества автоподстройки мощности во время разговора:
- GSM 900 МГц — 2 Вт (усреднённая мощность во время разговора 0,25)
- GSM 1800 МГц — 1 Вт (усреднённая мощность во время разговора 0,125)
- 3G (UMTS) — 0,25 Вт (тонко регулируется от 0,0001 Вт до 0,25 Вт)
- 4G — 0,2 Вт (тонко регулируется от 0,0001 Вт до 0,2 Вт)
- 5G — 0,2 Вт в FR1 (тонко регулируется от 0,0001 Вт до 0,2 Вт) или 0,16 Вт в FR2 (а скорее, меньше, из-за уменьшенного расстояния до антенн базовых станций). Кстати, и мощность самих базовых станций диапазона FR2 будет в районе 2,8 Вт по сравнению с 20-40 Вт мощности передатчиков FR1. Кроме того, многоэлементные антенны 5G позволяют не рассеивать мощность во все стороны, а направлять её концентрированными лучами в сторону конкретных смартфонов.
Для тех, кто готов погрузиться в тему опасности/безопасности 5G чуть глубже, я написал более подробную статью. Но она подразумевает и более подготовленного читателя.
Если вкратце относительно безопасности, то если ПДУ в России не будут пересмотрены, то опасности 5G представлять не будет. К сожалению, власти под давлением сотовых операторов, похоже, хотят всё же ослабить нормы: https://iz.ru/952870/valerii-kodachigov/skolko-veshat-v-mikrovattakh-uchenye-otceniat-opasnost-mobilnoi-sviazi. Вот этому ослаблению ПДУ надо всячески сопротивляться, а не самой технологии 5G!
В своей новой статье я подробнее осветил эту тему.
Как начнётся
Всё начнётся на базе инфраструктуры 4G. Фактически, современная реализация 4G (т.н. LTE Advanced) вплотную подошла к возможностям 5G первого частотного диапазона и уже имеет элементы, которые близки к отличительным особенностям 5G (частотная агрегация, более ёмкая модуляция 256 QAM и т.п.). Современная 4G это уже не та 4G, которая была вначале.
Схожее постепенное развитие ожидает и сети 5G. Первое время 5G, очевидно, будет работать только в первом диапазоне. На экране смартфонов появится значок 5G, а рост скорости будет не таким значительным, но он ощутится.
Рост на тех же частотах будет достигаться за счёт более высокой спектральной эффективности: в один и тот же спектр частот за счёт программно-аппаратных решений всунут больше информации за счёт ряда новых технологий (F-OFDM, где F — фильтрация внеполосных излучений; более эффективное использование слотов времени, осуществляющих разделение каналов; новая схема модуляции 1024 QAM, позволяющая всунуть 10 бит в 1 символ; Massive MIMO, представляющая собой большой массив приёмопередатчиков в одной антенне — 64, 128, 256 и более, работающие одновременно на одной частоте но в разных направлениях для разных абонентов).
Как продолжится
Продолжится всё включением высокочастотного диапазона.
И именно это ознаменует появление новых применений сотовой связи. Появится основная фича 5G — Network slicing (Нарезка сети). Для нужд различных сегментов потребителей сеть будет работать по-разному. Работа сети делится на три сценария:
eMBB, Enhanced Mobile Broadband (Сверхширокополосная связь).
Это привычный пользовательский интернет, только очень быстрый. Он не критически требователен к величине задержки сигнала. Скорость внутри помещений сможет достигать 1 Гбит/с, а на улице — до 300 Мбит/с. Это будет достигаться применением большого количества передатчиков, работающих в диапазоне FR2.
URLLC, Ultra Reliable and Low Latency Communications (Сверхнадёжная межмашинная связь с низкой задержкой).
Интернет, в котором важна как скорость, так и низкая задержка сигнала, то есть короткий пинг. Актуально для управления промышленными и производственными процессами, в дистанционной медицине, автоматизации распределения энергии в умных электросетях, общественной безопасности, умных домах и городах, интеллектуальных транспортных средствах и внедрениях интеллектуальной дорожной инфраструктуры на базе V2X (Vehicletoeverything, подключение автомобиля к любому объекту в сети).
мMTC, massive Machine Type Communication (Массовая межмашинная связь).
Интернет вещей (IoT) — характеризуется подключением большого числа устройств с низким энергопотреблением, передающих относительно небольшой объем данных, не столь чувствительных к задержкам. Это, в частности, измерительные устройства, датчики, сенсоры, объекты инфраструктуры умного города.
В зависимости от требуемого сценария сеть меняет режимы, используя наиболее подходящие частотные диапазоны и протоколы передачи данных.
Чем завершится
Ещё более плавным перетеканием в 6G.
Предполагается, что сети связи 6G будут использовать терагерцовый и субтерагерцовый диапазоны частот и обеспечивать существенно меньший уровень задержки при передаче данных, чем сети 5G.
Одной из технологий, которая может быть реализована в 6-м поколении средств сотовой связи, является использование радиофотонных цифровых антенных решёток на базовых станциях в сочетании с технологией Massive MIMO.
В числе требований к сетям 6G указываются скорость передачи данных от 100 Гбит/с до 1 Тбит/с. При этом для управления сетями будут использоваться системы искусственного интеллекта.