5g

К 2020 году сверхскоростная сеть пятого поколения свяжет между собой не только смартфоны, но и все электронные приборы. Однако это станет возможным только в том случае, если инженерам удастся решить несколько важных проблем.

Прогнозировать будущее в стремительно развивающейся IT-сфере — дело неблагодарное, ведь предугадать, что будет дальше, здесь бывает особенно трудно. Но если прогнозы экспертов не оправдываются, значительные перемены могут разрушить даже компании с мировым именем — вспомните Nokia или Motorola.

Сегодня мобильная индустрия находится на пороге больших изменений. К 2020 году планируется построить сети 5G, которые перевернут наше представление о беспроводных сетевых технологиях. И не только все смартфоны, а все электронные приборы и датчики будут подключены друг к другу.

Но для этого предстоит расширить мобильную сеть и развить технологии оптоволокна, иначе с возросшим потоком данных не справиться. Далее мы расскажем, как планируется решить основные проблемы, стоящие на пути у сетей 5G.

В сетях 5G миллиарды людей и машины будут общаться на скорости 1 Гбит/с. Подобная технология должна появиться уже к 2020 году.

Возможно, только через несколько лет мы сможем в полной мере оценить последствия, к которым привело возникновение феномена под названием iPhone: появление «яблочных» смартфонов восемь лет назад дало мощный импульс развитию технологий беспроводного соединения мобильных компьютеров. Мобильная индустрия до 2020 года планирует последовательно развивать идею 5G, согласно которой не только смартфоны, но и все остальные электронные устройства будут объединены в единую беспроводную сеть.

На сегодняшний день обмен данными между мобильными устройствами происходит в сетях LTE. Мы можем воспринимать их как передовую технологию, однако сеть 4G — это всего лишь один из ряда шагов в будущее. Если в случае с 2G (GSM) и 3G (UMTS) телефонные сети и сети передачи данных рассматривались отдельно, в сети 4G обмен данными и телефонные переговоры производятся пересылкой IP-пакетов при помощи технологии передачи голоса по сети LTE (Voice over LTE). Стандарт LTE использует только одну сеть — Интернет. 5G расширяет эту идею на все сетевые устройства.

Cisco и другие гиганты отрасли прогнозируют увеличение объемов трафика, используемого для передачи данных в мобильных сетях, в десять раз в течение следующих пяти лет (см. диаграмму справа). Дело здесь не только в росте популярности смартфонов. По большей части это обусловлено подключением чипов и датчиков различных устройств друг к другу по Интернету, начиная с беспилотных автомобилей и дистанционно управляемого уличного освещения и заканчивая фитнесбраслетами и умными часами. Эти перемены уже грянули. А вот относительно того, сколько из этих «машин» в будущем будут обмениваться данными по Интернету, у специалистов нет единого мнения. В прогнозах на 2020 год этот показатель варьируется от 50 до 150 миллиардов. Не только каждый человек — вся цивилизация постепенно будет объединяться в единую сеть.

Проект сети 5G

До сих пор университеты и исследовательские подразделения Ericsson, Nokia, Samsung, Huawei и других производителей оборудования для сетей связи разрабатывали отдельные концепты, тем или иным образом подходящие под определение 5G. В начале этого года под эгидой альянса Next Generation Mobile Network («Мобильные сети следующего поколения») эти изыскания были унифицированы в едином проекте.

Проект предусматривает разработку единого стандарта для технологии 5G к 2020 году. Масштабы уже определены: скорость передачи данных должна достигать 10 Гбит/с при времени отклика от одной миллисекунды. 5G сможет объединить в единую гибкую сеть сотни тысяч абонентов на один квадратный километр — от владельца смартфона, просматривающего фильм в разрешении HD, до энергосберегающих датчиков, передающих всего несколько бит. Для этого устройства должны использоваться различные технологии беспроводного соединения. Так, смартфон сможет плавно переключаться с Bluetooth на мобильную сеть, а затем на WLAN, причем без участия в этом процессе владельца.

Идея перспективная, но до сих пор открытыми остаются масса вопросов, среди которых один важный: на каких частотах будет работать сеть 5G? На низких частотах нынче тесно.

Сетям 5G должны быть выделены частоты в диапазоне свыше 5 ГГц, поскольку только на них получится передавать данные на гигабитных скоростях. Однако чем выше частота, тем труднее сигналу добраться до клиентского устройства без искажений. Например, в случае с технологией LTE, которая задействует частоту 800 МГц, радиоантенная мачта может находиться за пару километров. А вот для частот свыше 5 ГГц максимальное расстояние от антенны до клиентского устройства едва ли сумеет превысить сотни метров.

Для 5G все это означает, что передающих станций должно стать больше, а сами они — меньше и располагаться ближе к абонентам. Архитектура представлена малыми сотами (small cells), которые уже давно используются в обычной передающей технике для локального усиления сигнала. По форме и размерам эти базовые станции немного напоминают устройство, которое Ericsson использовала для демонстрации 5G на MWC (см. предыдущую страницу).

Передача данных на высоких частотах

С технической точки зрения у использования высоких частот есть преимущество: чем выше частота, тем короче длина волны сигнала, а вместе с тем меньше оптимальный размер приемной антенны. То есть, например, для передачи на частоте 28 ГГц нужна антенна длиной всего 0,5 см. Однако сигнал на частоте 28 ГГц редко передается без искажений. Он настолько смещается, отражается и заглушается, что для чистого приема одной- единственной антенны становится мало.

Выход есть, и называется он MIMO. Обычная технология Ml МО (Multiple Input Multiple Output) уже сейчас применяется для оптимизации приема LTE и Wi-Fi, но часто параллельно отправляются и принимаются всего два-четыре сигнала. Тех-нология Massive MIMO, использующая высокие частоты, позволяет размещать десятки маленьких антенн в мобильных устройствах и сотни — в передающей станции.

Использование высоких частот в сочетании с мелкосотовой архитектурой соответствует требованиям сервисов будущего, которые зависят не столько от высоких скоростей передачи данных, сколько от стабильности соединения и времени отклика (см. блок справа). В качестве примера можно привести беспилотный автомобиль на автостраде: управляемые компьютерами участники движения обмениваются данными друг с другом при помощи малых сот, расположенных по обочине. Обмен данными на высоких скоростях в режиме реального времени и минимальное время отклика необходимы для работы тактильного Интернета — главного объекта исследования лаборатории 5G Дрезденского технического университета. Здесь изучается дистанционное управление устройствами: от роботов для спасательных работ до дистанционной операции, проводимой врачом скорой помощи, в сочетании с очками виртуальной реальности, например, Oculus Rift.

Высокоскоростное оптическое волокно

Для создания сети 5G необходимо будет модернизировать и базовую сеть. Хорошо, что новая оптоволоконная технология в значительной степени поможет повысить пропускную способность.

Запланированное массовое объединение машин и людей в беспроводную сеть поднимает не только вопросы технической осуществимости подобного проекта. Производительность базовой сети также должна соответствовать возросшим требова-ниям. Это касается кабельного соединения на больших расстояниях, например, для связи многочисленных сот сети 5G.

Какой же объем данных будет передаваться по оптоволокну? По прогнозам Cisco, к 2018 году объемы данных увеличатся втрое, и только 40% из них будут приходиться на долю ПК, подключенных к Сети по кабелю. Остальную часть будут потреблять новые абоненты сети 5G: смартфоны, планшеты и сетевые устройства. Но мечта о 5G лопнет, как мыльный пузырь, если не усовершенствовать волоконно-оптическую сеть.

В отличие от беспроводного соединения, проблем с пропускной способностью канала при передаче данных световыми волнами с высокой частотой не возникает. В настоящее время уже используются оптоволоконные кабели, позволяющие передавать данные на большие расстояния с пропускной способностью до 100 Гбит/с и с шириной частотных каналов, соответственно, в 100 ГГц, в которых используются волны длиной между 1260 и 1675 нм. Поскольку оптоволоконный ка-бель со спектральным уплотнением каналов (WDM, подробнее на след, стр.), как правило, может передавать данные одновременно по 96 каналам, максимальная пропускная способность достигает 9,6 Тбит/с.

Преодоление ограничений оптоволокна

Европейская комиссия планирует к 2020 году достичь скорости передачи данных в 1000 Тбит/с, чтобы суметь покрыть потребности широкополосного доступа. Эта амбициозная цель существенно превосходит возможности современных сетевых технологий, особенно когда речь заходит о передаче данных на расстояния в несколько километров.

На таких расстояниях передавать сигнал без искажений может только одножильный оптоволоконный кабель (Single-core fiber, см. справа), причем он обеспечивает передачу только одного светового сигнала, то есть ровно те же 9,6 Тбит/с. Хотя уже используются многомодовые и многожильные волокна, в которых несколько световых сигналов проходят параллельно, их получается применять только на расстояниях в несколько метров. Чем больше расстояние, тем сильнее перекрестные помехи, возникающие между сигналами.

Ученые и инженеры предпринимают попытки оптимизировать многожильные и многомодовые волокна для использования на больших расстояниях, что сразу увеличило бы пропускную способность в разы. Летом 2014 года международная рабочая группа High-Speed Optical Communications Group на типе кабеля, предложенном японской компанией Telekom NTT, установила новый рекорд скорости в 43 Тбит/с. Сигнал в многожильном кабеле с семью волокнами создавал единственный лазер. Несколько месяцев спустя международная исследовательская команда из Нидерландов и США объявила о новом достижении в 255 Тбит/с. Такой скачок стал возможным благодаря тому, что каждое из семи волокон передавало одновременно по три моды. Небольшие отверстия, проделанные вокруг этих маломодовых волокон, эффективно экранировали световые волны друг от друга. Подобный кабель способен передавать 21 сигнал на расстоянии до одного километра без искажений.

Технология MIM0 для оптического волокна

Одновременная передача нескольких сигналов на одинаковых частотах по многомодным и многожильным кабелям называется пространственным уплотнением каналов (Spatial division multiplexing, SDM) и является аналогом технологии MIMO, использующейся в WLAN и LTE. Технология SDM заменяет два устаревших метода: временного (TDM) и спектрального (WDM) уплотнения каналов.

Чтобы сигналы не интерферировали, между ними должен сохраняться определенный интервал. Как правило, интервал между пиками составляет 100 или 50 ГГц: когда был поставлен рекорд скорости в 255 Тбит/с, сигналы передавались на 50 каналах, а интервал составлял 50 ГГц.

Успешно завершившиеся в прошлом году тестовые испытания отправки данных по оптоволокну на несколько сотен километров доказали, что даже для передачи на большие расстояния можно располагать несколько WDM-каналов на од-них и тех же частотах. Поставщику оборудования для сетей связи Alcatel-Lucent совместно с British Telecom удалось при проведении полевых испытаниях почти в полтора раза уменьшить интервал между пиками: с 50 до 35 ГГц. Таким образом, рекордная скорость передачи данных уже в ближайшее время может увеличиться с 255 до 365 Тбит/с.

Однако для реализации проекта 5G недостаточно обеспечить базовую сеть большей пропускной способностью. Нужно также оптимизировать доставку данных. За это распределение до сих пор отвечали пассивные оптические сети (Gigabit Passive Optical Network, GPON). Одна такая сеть распределяет входящие сигналы по временному принципу TDM и передает дальше на терминал. Поскольку применяется только TDM, отдельным абонентским линиям нередко остается всего до 10 Гбит/с. Эту скорость есть возможность в значительной степени повысить, дополнительно используя спектральный WDM, при помощи которого на линию получится передавать несколько параллельных цветовых каналов. В зависимости от устройства вывода можно также определить, в каком частот¬ном диапазоне находятся эти каналы. Чем выше частота, тем выше скорость и меньше дальность передачи данных.

Такую WDM-PON, интегрированную в LTE-сеть, в феврале 2015 года протестировала компания Huawei. Она использовала 32 канала по 10 Гбит/с для передачи на конечное устройство. При объединении нескольких каналов скорость у конечных пользователей сразу увеличивалась в несколько раз, и это тоже важно. Иначе не избежать замедления скорости прохождения данных 5G еще в базовой сети, и тогда быстрые беспроводные сети к 2020 году не появятся.