С каждым поколением мобильных сетей — от 1G до 4G — происходит существенное улучшение качества связи по сравнению с предыдущей системой. В отличие от этих переходов, не будет одного масштабного шага, который подтолкнет нас к грядущему стандарту 5G. Многие дополнительные этапы, или «строительство» новых сетей, включают этот переход. Совместно работая над различными элементами, составляющими 5G, инженеры и специалисты в области телекоммуникаций создадут подключенную сеть с беспрецедентной скоростью и производительностью в течении 2019 года и будут продолжать этим заниматься и далее.
Более 30 лет назад 1G предоставлял простую аналоговую голосовую связь, которая была ограничена из-за недостаточной способности телефонов переключать частоты между вышками сотовой связи. Телефоны должны были работать «усерднее», чтобы поддерживать связь при перемещении между сервисными вышками, переключаясь с частоты одной вышки на частоту другой с помощью микропроцессоров, не прерывая вызов.
2G мгновенно сделал процессы 1G устаревшими, представив цифровую голосовую связь. Радиочастотная технология множественного доступа с временным разделением (TDMA) в 1990-х годах позволила мобильным телефонам поддерживать соединения на многочисленных частотах одновременно, устраняя необходимость повторного подключения от одного сигнала за раз для удержания вызова. Емкость сети также значительно выросла, поэтому многие пользователи могут подключаться без особых проблем.
К 2003 году реализация мобильной сети стала возможной благодаря расширенной полосе пропускания 3G, обеспечивающей мобильную передачу данных. В то время как пропускная способность в эпоху 3G не была оптимальной для требовательных нагрузок, таких как видео, широта возможностей платформы постепенно расширялась.
4G открыл эру настоящего мобильного интернета, преодолев скоростной барьер в мегабайты в секунду. 4G также уступил место новой консолидированной сети на основе IP. Для операторов поддержка 4G означала дальнейшую оцифровку голоса путем перевода вызовов на VoIP. Вначале типичные скорости 4G начинались со скорости около 4 Мбит / с, а новейшие скорости LTE-A достигли 200 или даже 300 Мбит / с. Пропускная способность мобильной связи, которая может поддерживать все стандартные интернет-практики, теперь стала обычным явлением с появлением 5G, который может открыть возможности для множества новых приложений, но постепенно.
FCC утвердил стандарт 5G в июне 2018 года, что ознаменовало важный шаг в процессе его принятия. Позднее он объявил и провел два аукциона по широкополосному частотному спектру осенью 2018 года, чтобы облегчить развертывание технологии 5G. Для инженеров-разработчиков это означает, что распространение устройств IoT 5G не за горами, и миниатюризация миллиметровых (mmWave) компонентов начинает приобретать все большую актуальность.
Хотя многим современным IoT-устройствам не требуется значительно более широких полос для работы, сети 5G должны будут поддерживать огромное количество соединений, что откроет возможности для множества новых приложений, которые эти устройства могут обслуживать. К ним относятся технологии автономных транспортных средств и подключенных автомобилей, интеллектуальные городские датчики для транспорта и безопасности, а также медицинские устройства и приложения дополненной (AR) / виртуальной реальности (VR).
Как нам внедрить 5G? Почему мы еще его не внедрили?
Хотя основы 5G начали закладываться во многих крупных городах США, это всего лишь первый шаг долгого процесса. В действительности, развертывание 5G все еще находится в зачаточном состоянии, но крупные операторы мобильной связи утверждают обратное. Первые флагманские сети 5G технически могли бы быть живыми, но они существуют только в некоторых американских городах и основаны на точке доступа, выступая в качестве общедоступного соединения Wi-Fi. Сегодня компании-производители мобильных телефонов только начинают анонсировать телефоны с поддержкой 5G, многие из которых увидят свет только во второй половине 2019 года. Большинство из этих телефонов будут поддерживать технологию беспроводной связи с частотой <6 ГГц. Первые прототипы технологии миллиметровых волн (mmWave) в настоящее время демонстрируются на технологических выставках и семинарах.
Миллиметровые волны существуют в верхней части радиоспектра и до сих пор не использовались, что оставляет много возможностей для гигабитных скоростей интернета для роуминга без узких мест. Поскольку высокочастотные сигналы по своей природе не могут распространяться до медленных соединений, технология малых сот стала необходимостью для 5G. Базовые станции с малыми сотами — это миниатюрные вышки, которые можно размещать по всему городу, чтобы не пропадали высокочастотные сигналы. Это станет обязательным условием для плотных сетей 5G с миллионами устройств, включая подключенные автомобили, сенсорные сети IoT и многое другое.
Более того, мощная технология с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) обеспечит распространение множества частот сигналов 5G для пользователей, чтобы они всегда могли беспрепятственно подключаться. Формирование сигнала станет более распространенным явлением и в сетях 5G, изолируя местоположения устройств и обеспечивая прямую линию передачи сигналов, а не вещание в неэффективном широком радиусе. Формирование сигнала может также включать в себя полный дуплекс, который является одновременной отправкой и получением данных между устройствами.
5G предлагает операторам мобильной связи возможность постоянно тестировать новые технологии, которые позволят создавать сети с минимальной задержкой, предоставляя пользователям расширенные возможности при сохранении низких затрат. Но из-за «размаха» этих технологий развертывание, естественно, будет постепенным.
Некоторые текущие препятствия, с которыми сталкиваются инженеры-конструкторы с точки зрения технических тенденций и конкретных препятствий, включают следующее.
Быстрый рост IoT
По данным Gartner, к 2020 году технология IoT будет составлять 95% всех новых разработок в области электроники. Рост внедрения IoT считается проблемой для сетевых провайдеров, чтобы действительно достичь всех возможностей 5G. По мере того, как все больше пользователей выходят в интернет, сети 4G достигнут своего предела. Миллионы подключений IoT, неизбежно входящие в любую сеть, не только расширят их пропускную способность, но и будут проверять огромное количество устройств, которые могут быть подключены в данный момент времени.
Например, по мере того, как датчики умного города начнут распространяться, они будут наводнять сети данными о местонахождении транспорта, погодных условий и другими измерениями. Поскольку эти датчики устанавливаются на «каждом углу», а автономные транспортные средства начинают заполнять улицы, пропускная способность интернет вещей IoT в ее нынешнем виде будет не достаточна, тем более что миллионы мобильных телефонов будут оставаться активными в этих сетях.
Вычисление и доведение искусственного интеллекта до конечных узлов
5G нужно уметь понимать, какие данные являются критическими / не важными для принятия решений в конечных узлах. Краевые вычисления, естественное расширение облачных вычислений (и то, что некоторые называют «туманом»), будут снимать вычислительную нагрузку с небольших устройств IoT в сетях 5G.
Искусственный интеллект и глубокое обучение имеют решающее значение для выполнения этих процессов между устройствами. Они будут обеспечивать функции маршрутизации, хранения, вычислений и серверов в узлах сети, чтобы запускать критически важные приложения для предприятий или отдельных лиц. Инженеры и специалисты по сетевым технологиям будут усердно работать над достижением сверхнизкой задержки для технологий с интенсивным использованием данных, которые не могут позволить себе задержку, включая автономные транспортные средства и медицинские устройства.
Внедрение 5G и поддержка периферийных вычислений для подключенных автомобилей позволят повысить безопасность и оптимизировать поток трафика. Ветровые стекла с поддержкой дополненной реальности могут давать водителям подсказки или указания в режиме реального времени с возможностью подключения к границе 5G. Медицинские устройства с поддержкой 5G смогут оперативно предупреждать о любых болезнях или чрезвычайных ситуациях, чтобы пациенты могли как можно быстрее приступить к диагностике и лечению.
Выводы
«Строительные блоки», которые будут постепенно строить наши будущие сети 5G, обеспечат нам инновации во многих отраслях. Хорошей новостью является то, что это облегчит доступ для широкой публики по-настоящему революционной технологии. Плохая новость в том, что это не произойдет быстро.
Производители различных электронных компонентов, антенн и датчиков, а также производители микросхем и сетевые операторы несут ответственность за объединение усилий для достижения этой важной цели. Как только это единство будет решено во всех задачах 5G, возможность подключения обеспечит удивительные непредвиденные достижения в области дополненной реальности (AR), виртуальной реальности (VR), автономных транспортных средств и даже простые инновации, такие как скорость загрузки данных в 1000 раз выше, чем у 4G LTE. Но, прежде всего, инженеры-конструкторы должны постоянно и постепенно внедрять инновации на уровне радиочастот и компонентов.
