5G для «чайников». Что такое 5G, как это работает и зачем нужно?

Технология антихриста, оружие массового поражения, инструмент тотального слежения за населением, светлое будущее — как только не называют сегодня мобильную сеть пятого поколения или просто 5G.

Если еще 2-3 года назад технология 5G вызывала интерес лишь в очень узких кругах, то сейчас, когда операторы начали развертывание сетей 5G по всему миру, расставляя маленькие загадочные коробочки возле школ и парков, этой темой заинтересовались даже люди, не умеющие пользоваться смартфоном.

Что же такое 5G? В чем смысл этой технологии и как она устроена? Обо всем этом мы и поговорим дальше. Единственное замечание — здесь мы не будем касаться темы вреда (или безвредности) 5G для организма. Об этом у нас уже есть отдельный подробный материал.

Зачем нам 5G на самом деле?

Даже тот, кто лишь краем уха слышал о 5G, знает, что речь идет о более высоких скоростях передачи данных. Но разве в этом и заключается основная задача сетей нового поколения? Неужели операторы по всему миру потратят более триллиона долларов лишь на то, чтобы полнометражный фильм загружался не за 10 минут, а за 10 секунд?

Подобные вопросы задают многие люди и приходят к выводу, что здесь «что-то нечисто». Видимо, у 5G есть другая задача! А для наивных людей придумали удобную отговорку. И ведь действительно, высокая скорость (теоретически до 20 Гбит/сек) — далеко не главная задача сетей 5G.

5G обеспечивает более высокую емкость сети

Вы когда-нибудь задумывались о том, какое количество устройств сегодня подключено к сети интернет? Их просто миллиарды и это число растет довольно быстро. Еще 10 лет назад, когда только появилась сеть 4G, мир был совсем другим. Сегодня телефонами с мобильным интернетом пользуются все, от маленьких детей до пожилых людей. Современные 4G сети буквально не справляются с такой нагрузкой. На концертах, спортивных матчах и других массовых мероприятиях качество связи заметно падает, а интернет и вовсе исчезает.

В это же время к сети подключается все больше новых устройств: от холодильников и кофемашин до автомобилей и различных носимых гаджетов. О критической важности мобильного интернета в промышленности и бизнесе даже говорить нет смысла.

Сети 5-го поколения решают эту проблему, обеспечивая более чем 100-кратное увеличение пропускной способности сети. За счет чего это происходит — поговорим чуть позже.

Технология 5G позволяет снизить время задержки до 1 мс

Геймеры хорошо знают о том, что такое время задержки сети (latency), когда картинка, отображаемая на экране смартфона/компьютера в реальности уже «устарела» на 30-50 миллисекунд (или больше) и точно сделанный выстрел не попадает в цель. Ведь то, что происходит на сервере, отображается на экране устройства не мгновенно. Соответственно и реакция игрока, как минимум, «затормаживается» скоростью отклика сети.

Время задержки в сетях 5G может быть сокращено до 1 мс! На практике в большинстве случаев это значение будет выше (порядка 4 мс), но для самых критических задач задержка не превышает миллисекунды. Для сравнения, задержка в сетях 4G составляет 40-50 мс.

Несомненно, игры по сети — это популярное занятие, но быстрый отклик нужен далеко не только геймерам. Добившись мгновенного отклика устройств по мобильной сети, перед нами открывается новый мир автопилотируемых автомобилей или удаленно управляемого беспилотного транспорта, появляется возможность проводить удаленные хирургические или спасательные операции, где важна точность и мгновенный отклик.

Чтобы лучше осознать, какую роль играют миллисекунды, приведем простой пример. Представим, что у нас есть автопилотируемый автомобиль, который синхронизирует свои координаты с другими автомобилями через интернет, а также с датчиками, расположенными вдоль трассы.

Если автомобиль едет со скоростью 120 км/ч и внезапно возникает аварийная ситуация, человеку потребуется около 700 мс, чтобы среагировать. За это время автомобиль проедет около 30 метров, что может стоить жизни водителя. В сетях 4G из-за задержки автомобиль проехал бы около 2 метров до принятия решения. Для 5G сетей это расстояние сократилось бы до 10-15 сантиметров.

С другой стороны, будут ситуации, когда машины на заводах должны работать синхронно и задержка в несколько миллисекунд будет заметно влиять на качество и время такой работы.

Наглядно это можно увидеть в ролике Nokia, где был поставлен простой эксперимент. Несколько роботов должны максимально быстро стабилизировать шарик на ровной поверхности, координируя свои движения по сети. Сравните, сколько времени им потребуется при использовании 4G и 5G сетей (ролик на английском, но сам эксперимент понятен и без слов — с 01:30 показана работа в 4G, а затем в 5G):

Учитывая, что с приходом 5G все больше устройств и датчиков (загрязнения, шума, трафика и пр.) будут подключаться к сети, отсутствие задержки — одна из ключевых характеристик сетей нового поколения.

Итак, сети 5G решают в основном 3 задачи:

• Значительное увеличение скорости
• Значительное увеличение емкости сети с возможностью подключить гораздо больше устройств к интернет
• Значительное сокращение времени отклика

Сети 4G во многих странах уже достигли своего предела и по сути тормозят дальнейшее развитие технологий, включая интернет вещей (IoT), автопилотируемый транспорт и многое другое, о чем уже частично было сказано выше.

Как работает технология 5G?

Если говорить кратко, то все очень сложно. Настолько сложно, что даже сотрудник «IT Академии Samsung» в официальном блоге компании на Хабре следующим образом объясняет читателям причину увеличения скорости в сетях 5G:

Всё просто: увеличиваем частоту, уменьшаем длину волны – и скорость передачи данных становится в разы больше. Да и сеть в целом разгружается.

Официальный блог Samsung на Хабре

К сожалению, все далеко не так просто, как показалось этому человеку. Он представил себе следующую картину. Мы знаем, что информация в мобильных сетях передается с помощью электромагнитных волн. Соответственно, если взять две волны разной длины (а значит и частоты), то за 1 секунду можно «впихнуть» больше информации туда, где этих волн будет больше:

Как видим на картинке, за 1 секунду мы получим либо 3 длинные волны, либо 24 короткие. И чем выше будет частота (количество волн за секунду), тем, казалось бы, больше информации можно передавать. Это логичное (на первый взгляд) предположение не имеет никакого отношения к реальности.

Скорость передачи данных не зависит от выбранной частоты. Возьмите, к примеру, свой FM-радиоприемник. Он может ловить радиоволны на частотах от 87.5 до 108 МГц (миллионов колебаний в секунду). Конечно же, качество музыки на радиостанции 108 FM ничем не будет отличаться от качества на частоте 87.5 МГц. А ведь волны то гораздо короче получаются!

В реальности все намного сложнее. Если мы говорим о мобильной связи, передача данных осуществляется порциями (фреймами). Каждый фрейм в свою очередь делится еще на 10 кусочков (субфреймов). И эти субфреймы состоят из слотов:

Так вот, количество слотов, из которых состоят субфреймы, может быть разным и зависит оно от ширины спектра поднесущей. Чтобы лучше понять, что это такое, рассмотрим простой пример.

Вот у нас стоит 4G вышка сотовой связи. Работает она на определенной частоте. Естественно, чтобы к этой вышке могли подключаться разные устройства, каждому из них выделяется небольшой «кусочек» доступного диапазона частот, например, 20 МГц. Такой кусочек, в свою очередь, делится на огромное количество очень маленьких кусочков. В случае с 4G сетями эти кусочки (они и называются поднесущими) имеют ширину 15 кГц. Но, как уже было сказано выше, чем шире спектр поднесущей, тем больше данных она будет содержать.

На следующей таблице можно наглядно увидеть, как именно зависит количество слотов в одном субфрейме от ширины спектра поднесущей:

Если ширина поднесущей составляет 15 кГц, в одном субфрейме может быть только 1 слот. Соответственно, вся порция данных (то есть, фрейм) будет содержать 10 слотов. Но в 4G-сетях мы не можем расширять полосу, выделяя больше частот для поднесущей.

За счет чего в сетях 5G такая высокая скорость?

Сегодня все частоты до 5 ГГц уже переполнены и регуляторы не позволяют выделять более широкие диапазоны частот. На этих частотах работает всё, что только можно, от Wi-Fi и Bluetooth до GPS и 4G связи. В то время, как выше всё относительно свободно!

Именно по этой причине для сетей 5G решили использовать очень высокочастотные волны в миллиметровом диапазоне. Ведь там много незанятого места и можно смело увеличивать ширину полосы. Соответственно, если ширина поднесущей в 5G сети будет равняться 240 кГц, мы сможем упаковать 16 слотов в один субфрейм, а так как в одном фрейме десять субфреймов, тогда один фрейм будем содержать 160 слотов. А это в 16 раз больше данных, передаваемых за 1 секунду, чем при использовании 4G-сетей.

Но сразу же возникает другой вопрос — неужели никто не мог додуматься до этого еще 10 лет назад?! Ведь подобная схема (фреймы, субфреймы, слоты) используется и в сетях 4G, которые были развернуты десятилетие назад. Верно! Но проблема заключается не в том, чтобы додуматься взять свободные частоты. Миллиметровые волны очень «капризные». Они быстро затухают, отражаются от любой поверхности, не способны проникать в здания или сквозь человека. Даже дождь или снег будет поглощать такие волны.

Чтобы построить интернет на базе миллиметровых волн, нужно сделать немыслимое — расставить вышки сотовой связи буквально на каждом шагу. Никто не будет заниматься таким безумием — считали операторы 10 лет назад.

И вот сейчас мы наблюдаем процесс развертывания сетей 5G, который и заключается в том, чтобы расставить маленькие базовые станции через каждые 100 метров. Стоит это колоссальных денег и, вдобавок ко всему, вызывает бурную реакцию у простых граждан, которые беспокоятся о своем здоровье. Подумать только, тысячи маленьких станций будут облучать людей 24 часа в сутки! Везде, включая зоны отдыха, парки, детские площадки… Но прежде чем паниковать, обязательно прочтите нашу статью о вреде 5G.

Если технология 5G требует такого количества базовых станций, сколько времени потребуется операторам на развертывание сетей пятого поколения? Хороший вопрос! И здесь есть свои нюансы. Никто не будет покрывать миллиметровыми волнами всю планету, по крайней мере в обозримом будущем. Это просто космические суммы денег и множество других проблем.

Вместо этого, 5G использует два основных диапазона частот: от 400 МГц до 6 ГГц и от 24 до 50 ГГц. Именно второй диапазон и является миллиметровым, в то время, как первый довольно сильно пересекается с диапазоном частот 4G сетей.

Соответственно, одна вышка 5G, работающая на частоте 400 МГц сможет покрывать километры расстояния! Но скорость здесь будет лишь немного превышать 4G. Хотя, по логике упомянутого ранее человека, 5G сеть на частотах 400-800 МГц должна работать медленнее современных 4G-сетей, волны ведь длиннее и частота ниже.

Для быстрого развертывания сетей 5G операторы используют во многих странах более низкие частоты и покрывают сразу огромные территории. Делать ковровое покрытие 5G по всей стране, плотно размещая базовые станции, работающие в миллиметровом диапазоне, никто не будет. Это огромные затраты, которые могут не окупиться. Во многих странах 5G сети в миллиметровом диапазоне будут разворачиваться только в промышленных зонах для потребностей бизнеса.

Как удалось сократить задержку (latancy) в 5G сетях?

Итак, со скоростью разобрались. Сети 5G работают гораздо быстрее за счет более широкого канала или доступного диапазона частот. Увеличивая ширину спектра поднесущей, мы можем передавать больше данных. А увеличивать эту ширину можно только в том случае, если есть свободные частоты. Соответственно, свободных частот в диапазоне от 1 до 6 ГГц не так много, а в более высокочастотном (миллиметровом) диапазоне — хоть отбавляй!

Но что делать со скоростью отклика или временем задержки. Как именно в сетях 5G удалось сократить задержку с примерно 40 мс до 1 мс?

Длительность одного фрейма в 4G или 5G сетях всегда фиксирована и составляет ровно 10 мс. Соответственно, длительность одного субфрейма в 10 раз короче (так как один фрейм состоит из десяти субфреймов) и всегда равняется 1 мс.

Так какая же тогда длительность одного слота? И вот здесь уже всё зависит от количества этих слотов. В 4G сетях один субфрейм состоит из одного слота. Значит, длительность этого слота равняется длительности субфрейма или 1 мс. Но в 5G сетях в одном субфрейме может быть гораздо больше слотов. Соответственно и длина каждого из них будет намного короче.

При использовании двух слотов, длительность каждого будет составлять по 0.5 мс. Если используется 4 слота, тогда длительность каждого будет равняться 1/4 длительности субфрейма или 0.25 миллисекунд и так далее.

Сократив время каждого слота, удалось сократить и время задержки сигнала. Чтобы объяснение было более полным и точным, нужно вводить еще несколько понятий, таких как нумерология и символы, но делать этого мы не будем, чтобы не усложнять и без того непростые и уже местами скучные вещи.

Вместо заключения

Главной задачей этой статьи было рассказать о том, зачем нужна сеть 5G и каким именно образом удалось достичь увеличения скорости и сокращения времени задержки.

Также мы увидели, что 5G сеть не будет обеспечивать максимальную скорость и минимальную задержку для всех пользователей. Полностью раскрыть новое поколение мобильной сети могут только миллиметровые волны, но из-за высокой цены развертывания таких сетей, они будут доступны далеко не для всех и не сразу.

Помимо скорости и задержки, сети 5G содержат еще много интересных особенностей, которые мы затронем лишь вскользь, чтобы не перегружать материал.

Известно, что размер антенны зависит от длины волны. Выходит, для работы с миллиметровыми волнами нужны антенны очень маленького размера. Соответственно, в одной базовой станции 5G можно разместить сотни антенн, не увеличивая при этом размер самой ячейки. Данная технология получила название Massive MIMO.

Благодаря Massive MIMO одна базовая станция может обслуживать гораздо большее количество одновременно подключенных устройств.

Кроме того, благодаря Massive MIMO высокочастотный сигнал 5G можно делать узконаправленным. Представьте, что антенна излучает электромагнитные волны не во все стороны, как, скажем, свеча излучает свет, а делает это словно фонарик, направляя волны на конкретное устройство.

Конечно, эта аналогия примитивна и волны не направляются в устройство, словно лазерной указкой. Но, излучая сигнал одновременно несколькими антеннами, будут возникать места, в которых волны будут накладываться друг на друга, усиливая сигнал в определенном направлении. Такая фокусировка энергии повышает пропускную способность и эффективность сети, уменьшая помехи (интерференцию) между лучами, направленными в разные стороны.

Как видите, ничего таинственного и пугающего в сетях 5G нет. Это не технология антихриста или оружие массового поражения. Сети пятого поколения — это очередной виток развития технологий, достаточно понятый для всех, кто желает разобраться в вопросе, вместо того, чтобы поддерживать нелепые теории заговоров.

Алексей, главный редактор Deep-Review (alexeysalo@gmail.com)