XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Проблемы и перспективы развития мобильных сетей 5 поколения как один из драйверов современной системы связи
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность исследования.
Развитие мобильной связи в нашей стране и в мире в целом не стоит на месте. Развитие идет в нескольких направлениях. Это расширение функционала мобильных устройств. Современный смартфон представляет практически полноценный компьютер и даже больше. Разве это не чудо. Кроме того, увеличивается количество базовых станций мобильных операторов, чтобы увеличить охват связью территории стран, чтобы не было территорий, где мобильная связь еще недоступна. Увеличиваются скорости мобильного Интернета и он начинает составлять конкуренцию проводному Интернету. Этому способствует появление тарифов с безлимитным Интернетом и безлимитной Wi-Fi раздачей. Но уже сегодня становится очевидно, что пропускная способность сетей 4-го поколения близка к исчерпанию. В обычной ситуации предел – 50 Мбит/с.
Сегодня развивается телемедицина, Интернет «вещей», «умный дом», беспилотные автомобили и т.д. Для всего этого нуже быстрый мобильный Интернет в сетях 5-го поколения. В данный момент многие развитые страны начали развивать сети 5-го поколения (5g), но в нашей стране с развитием 5g сетей есть некоторые трудность. В своем проекте мы постараемся рассмотреть, как сможет развиваться связь в нашей стране с появлением новой сети, понять, как поменяется уклад и образ жизни обычного человека. Сделаем попытку разобраться, какие стоят перед государством проблемы и какие есть решения для хорошей и быстрой работы сетей 5-го поколения. К сожалению, сделать точный прогноз, через сколько лет каждый житель России сможет свободно пользоваться 5g Интернетом.
Объект исследования: мобильные сети 5-го поколения как один из драйверов цифровизации.
Предмет исследования: предпосылки появления и дальнейшие сценарии развития сетей 5-го поколения.
Цель исследования: спрогнозировать, как будет меняться отрасль связи с появлением сетей 5-го поколения.
Задачи исследования:
Изучить научно-технические предпосылки появление сетей 5-го поколения;
Разобраться какие есть пути решения проблемы развития сетей 5g в России;
Спрогнозировать вектор развития коммуникаций с появлением 5g сетей.
Гипотеза исследования. Развитие мобильной связи нового поколения приведет к изменению потребительских предпочтений в сфере связи в сторону использования быстрого мобильного Интернета.
Основная часть
Технологии сотовой связи в России развиваются стремительными темпами. В ближайшие годы планируется полноценное развертывание сетей пятого поколения (5g), которые обеспечат функционирование Интернета вещей и более эффективную передачу «больших данных». Но как развивались сети? Первоначально запущенное в 1979 году в Токио, к 1984 году первое поколение (1G) стандарта беспроводной связи было развернуто по всей Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone. В 1983 году США запустили свою первую сеть 1G, используя мобильный телефон Motorola DynaTAC. После нескольких лет спустя к адаптации данной технологии присоединились другие страны, такие как Великобритания и Канада.
Впервые в Финляндии в 1991 году был реализован стандарт глобальной системы мобильной связи (GSM) или 2G – беспроводной стандарт, значительно превосходящий по своим характеристикам первое поколение. Благодаря значительно лучшему качеству беспроводного соединения, 2G предоставил своим клиентам услуги передачи данных для мобильных устройств, включая текстовые сообщения SMS и зашифрованные в цифровой форме разговоры. Основные преимущества во втором стандарте можно увидеть в значительном снижении статического шума и фонового потрескивания при разговоре. Но что еще более важно, 2G спровоцировал огромный культурный сдвиг. Стала возможна передача текстовых сообщений, графических сообщений и мультимедийных сообщений (MMS), благодаря чему был создан совершенно новый способ общения людей.
Сотовая связь третьего поколения (3G) впервые была протестирована в мае 2001 года, а в октябре того же года она впервые была реализована в Японии для коммерческого использования. Стандарт 3G сделал мобильный интернет более доступным, чем до этого. Телекоммуникационные сети 3G поддерживают услуги, которые обеспечивают скорость передачи информации со скоростью не менее 0,2 Мбит/с. Поздние версии 3G, часто обозначаемые как 3,5g и 3,75g, также обеспечивают мобильный широкополосный доступ на несколько Мбит/с для смартфонов и мобильных модемов в портативных компьютерах. Это позволило использовать стандарт для беспроводной голосовой телефонии, мобильного доступа в Интернет, фиксированного беспроводного доступа в Интернет, видеозвонков и технологий мобильного ТВ. Таким образом, пользователи 3G могли использовать сервисы на основе местоположения, смотреть мобильное телевидение, участвовать в видеоконференциях и смотреть видео по запросу.
Распространение сетей стандарта 4G, который в настоящее время является текущим, началось примерно в 2011-2012 годах. Этот стандарт стал, по сути, серьезным улучшением 3G, поскольку имеет такие преимущества, как улучшенная скорость загрузки и отправки данных, уменьшение задержек, практически кристально чистые голосовые звонки. Стандарты 4G (или 4G LTE) примерно в пять-семь раз быстрее, чем 3G, предлагая теоретически достижимые скорости до 150 Мбит/с. Это соответствует максимальной потенциальной скорости около 80 Мбит/с в реальном применении. Например, вы можете загрузить 2-гигабайтный HD-фильм за 3 минуты 20 секунд в стандартной мобильной сети 4G, в то время как для стандартной сети 3G потребуется более 25 минут. Тем не менее, новая даже более быстрая версия 4G уже доступна во многих странах под названием 4G LTE-Advanced (также известная как LTE-A, 4.5g или 4G+). Эта версия обеспечивает теоретические скорости до 1,5 Гбит/с [3].
В скором времени будет реализован стандарт пятого поколения сотовой связи 5g. По словам исследователей и разработчиков, сети 5g могут быть примерно в три раза быстрее, чем сети 4G, что должно привести к тому, что больше устройств сможет подключаться к сети, обеспечивая быструю и надежную передачу данных. Еще в 2008 году НАСА заключило партнерство с Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp. (платформой для разработки M2M и IoT). Это партнерство было создано специально для разработки технологии 5g. Стандарт 5g имеет потенциал для создания таких крупных отраслей передачи и обработки данных, как интернет вещей, умные дома или умные города.
В 2008 году Южная Корея разработала программу исследований и разработок в области систем мобильной связи 5g. Четыре года спустя в августе 2012 года Нью-Йоркский университет основал NYU WIRELESS, исследовательский центр, предназначенный для проведения детальной работы в области беспроводной сети 5g. Примерно в то же время Европейская комиссия профинансировала проект iJOIN EU, целью которого было сосредоточиться на «технологии малых ячеек», которая является важной частью технологий 5g [2]. Следовательно, разработка компонентов и систем для сети 5g продолжается и по сей день ударными темпами, чтобы к 2020 году многие жители Земли наслаждались высококачественной сотовой связью.
Но это обзор в мировом масштабе. И теперь настал черед разобраться, а есть ли возможности решения данных проблем в России, с тем чтобы не остаться в «хвосте» технологической революции. Данные пути имеются, но все решения, которые предлагаются, представляются весьма спорными.
Выделяется два пути решения, оба довольно спорные.
Первый вариант, который напрашивается сам собой – это освоение миллиметрового диапазона ультракоротких волн с частотами 26,5-29,5 ГГц. Этот стандарт называется «mmWave» и предполагает высочайшую скорость передачи данных. Но с большими оговорками. Так, миллиметровые частоты плохо проходят через стены, а радиус работы базовой станции относительно небольшой. Именно поэтому в США и Китае данный диапазон эксплуатируется внутри больших общественных пространств — аэропортов, музеев и стадионов. Строить же большую инфраструктуру, основанную на миллиметровых частотах, бессмысленно, для этого нужны базовые станции через каждые сто метров, причем останется проблема с прохождением сигнала через толстые стены.
Второй путь заключается в том, чтобы использовать другой диапазон. Минкомсвязи предлагает диапазон 4,8-4,9 ГГц. «Главный вопрос я вижу в том, как в данном случае убедить потребителя (к примеру, "большую четверку") провести фактически полное переоборудование сетей после их многолетней работы с разными зарубежными производителями. Себестоимость российского оборудования, очевидно, будет в разы превышать зарубежные аналоги. Кроме того, сеть обновляют "с запасом" — нет никакого экономического смысла устанавливать то, что морально уступает самому передовому, потому что спустя несколько лет все придется менять», — замечает Алексей Чигадаев, руководитель международных digital-проектов коммуникационной группы iMARS [4].
Однако оборудование для таких частот в мире практически не производят, ведь базовыми для телекома считаются 3,4-3,8 ГГц. В этом случае речь идет о создании инфраструктуры практически с нуля, возможно, только силами отечественной промышленности. Операторы связи от этого не в восторге: ведь десятилетиями они строили сеть на зарубежной элементной базе.
Таким образом, решение проблемы с сетями 5g в нашей стране остается острой. Мы предлагаем совершенно новый путь развития – создание единого инфраструктурного оператора, который бы занимался созданием инфраструктуры сетей 5-го поколения. Данный оператор может быть создан консорциумом мобильных операторов (например, федеральной большой «четверки») или самим государством. Но в последнем случае на рынке мобильной связи произойдет монополизация.
Итак, эти пути являются лишь гипотетическими. Главная проблема заключается в том, что пользователю необходимо предложить новые области применения 5g сетей. С появлением сетей 5g мир шагнет в новую эпоху развития сотовой связи и вообще в новый мир технологий. Для нас откроются многие возможности в разных сферах жизни [2]. И вот почему это важно.
На современном мобильном рынке и рынке широкополосного доступа в Интернет наступил некий паритет. Операторы мобильной связи в России и за рубежом практически не предоставляют безлимитного доступа во всемирную паутину, тем самым не составляя конкуренции безлимитному проводному интернету. В России буквально 24-25 ноября 2021 г. компании «Мегафон» и «Билайн» убрали на всех тарифах безлимитный интернет с безлимитной раздачей на другие устройства. Вполне вероятно. Готовятся к запуску сетей 5 поколения и заранее снимают нагрузку на сеть для проведения монтажных работ. Если сети 5 поколения появятся, то у ряда пользователей отпадет нужда в использовании проводного интернета. Начнется переток абонентов к мобильным операторам.
Но с точки зрения обычного обывателя пока нет необходимости менять провайдера. Хотя сети 5-го поколения обладают большими конкурентными преимуществами, которые позволяют абонентам эффективнее решать проблемы коммуникации.
Давайте предположим, что произойдет.
Во-первых, вся информация станет храниться в облачных хранилищах, что в свою очередь позволит больше не скачивать гигабайты информации (тексты, видео, звук, установочные файлы). К примеру, игры полностью перейдут в онлайн, так же геймерам больше не нужно будет тратить сотни тысяч на улучшения своих ПК, так как уже сейчас появляются площадки с удалённой игрой, где пользователь по сути играет онлайн, а вся графика и физика рассчитывается на удалённом, мощном ПК. В существующих сетях 4-го поколения очень высоким остается пинг, который не дает возможность качественного использования графики. Так же все видеосервисы перейдут на стриминговый формат, скачивать видеофильмы больше будет незачем, так как загрузка часового шоу на YouTube в качестве 1080 будет занимать считанные секунды.
Во-вторых, активизируется развитие беспилотного транспорта. Сеть 5g дает возможность создавать рабочие группы и пространства, в которых автомобили, дроны, строительная техника, такси и даже воздушные суда смогут общаться друг с другом и диспетчерами через высокоскоростной беспроводной интернет и ориентироваться в ситуации, и в пространстве предотвращая катастрофы и аварии. На территории нашей страны уже тестировались несколько беспилотных автомобилей, в том числе и компанией Яндекс [2].
В-третьих, сети 5-го поколения могут подстегнуть индустрию развлечений. Она всегда была локомотивом в развитии бытовой электроники. Самые высокие требования к производительности исходят именно от потребителей игровых консолей. Самым передовыми, но и менее распространенными технологиями в мире игр являются виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR). Всем известные компании Sony и Microsoft уже как несколько лет предлагают аксессуары для VR и соответствующие 3D игры. Постепенно VR и AR выйдет за рамки игровой индустрии и неизбежно перекинется на образование, медицину, промышленность – потенциал переоценить сложно.
Следующим шагом в этой отрасли будет совмещение AR и VR с 5g. Технически это уже осуществимо благодаря новому чипсету Qualcomm Snapdragon XR2, совмещающий в себе 5g модем и специализированный XR (от VR+AR) процессор с поддержкой искусственного интеллекта, реагирующим на мимику «пилота». Понятно, что с 5g онлайн игры только приобретут. С переносом вычислительных мощностей в облако (Cloud Gaming) игровые консоли станут менее загруженными, от этого видео станет более плавным, детальнее и динамичнее. Преодолев технологический барьер с 5g, рынок AR/VR-игр станет более востребованным. Многим откроются виртуальные путешествия в другие города, погружения на дно океана и даже полеты в космос. Известный факт, что восприятие мира человеком сильно зависит от того что он видит, с XR+5g кругозор среднего обывателя значительно расширится, изменит подходы общества к изучению мира и созидательной деятельности во всех сферах.
В-четвертых, это тактильный интернет. Тактильный интернет (ТИ) — передача тактильных ощущений, прикосновений на любые расстояния с минимальной, практически не ощутимой задержкой. Название технологии было предложено в Дрезденском техническом университете, там еще в 2012 году начались работы по созданию роботизированных систем, способных удаленно передавать ощущения.
Сейчас ученые работают над созданием искусственного прикосновения путем внедрения датчиков в мягкие роботизированные структуры и наиболее чувствительных сенсорных датчиков. Сейчас датчики уже умеют воспроизводить силу и характер касания, различают разные материалы: металл, дерево, текстиль и т.д.
ТИ выдвигает требования, которые будут под силу сетям 5g:
задержки менее 1 мс;
надежность – для выполнения критических задач (например, удаленная операция), недопустимы потери в сети, отказ оборудования и т.д.;
высокая скорость передачи данных – более 10 Гбит/с;
высокая плотность сети – поддержка подключения более 100 устройств на 1 кв.км.
Для воспроизведения ощущений предполагается наличие каких-либо устройств, находящихся в контакте с получателем, например, одежда (футболки, джемпера, брюки), аксессуары (перчатки), обувь, головные уборы, экзоскелеты или специальные устройства, представляемые собой тактильные дисплеи с крошечными приводами, которые приводят в движение подвижные элементы (иглы, штырьки).
С помощью ТИ можно учить рисовать, играть на музыкальных инструментах, делать удалённые хирургические операции т.е., всё, что требует навыков «мелкой моторики». В электронной торговле можно применить данную технологию для того, чтобы потрогать или примерить на себе товар до его покупки. Музейные экспонаты можно будет трогать и даже ощутить в руке вес древних артефактов. Многопользовательские онлайн шутеры с XR+ТИ станут реалистичнее, можно будет ощутить боль, толчки, удары, жару и холод.
Но это то, что описано в интернет-источниках. Мы предлагаем свое видение использования сетей 5 поколения.
Таблица 1.
Использование сетей 5-го поколения в реальном секторе экономики (авторский взгляд)
|
Отрасль |
Результат использования 5g сетей |
|
Медицина |
1. Проведение медицинских операций при участии врача, который находится в одной стране, а пациент и автоматизированная медицинская система — в другой. 2. Носимые устройства (фитнес-браслеты и др.) позволят врачам дистанционно контролировать и анализировать параметры пациента и даже мониторить, принял ли он лекарство вовремя. 3. Дистанционные консультации для пациентов 5g у врача там, где нет доступа к лечебным учреждениям, например, в городах, удаленных от центра региона. 4. Дистанционные образовательные консультации для профессиональной подготовки медицинских работников. 5. Использование виртуальной реальности с высокими скоростями 5g для прохождения практики студентами-медиками. 5. Роботизированная хирургия. Например, оператор-хирург может находиться от пациента на расстоянии многих километров и успешно проводить при этом сложнейшие операции с помощью хирургических роботов, виртуальной реальности и тактильных перчаток. |
|
Транспортная сфера |
1. Регулировка движения «умными» светофорами, получающими данные о плотности транспортных потоков. 2. Автономное управление транспортным средством на любой дороге и в любых условиях. |
Энергетика и коммунальное хозяйство |
1. Слежение за энергетическими системами с помощью датчиков (детекторы утечек на трубопроводах и др.). 2. Онлайн-доступ к данным и аналитике потребления энергии и топливных ресурсов. |
Сельское хозяйство |
1. Измерение влажности, состояния почвы и жизненных показателей растений. 2. Прогноз погодных условий. 3. Мониторинг зрелости и контроль за здоровьем скота. |
В разрезе внедрения 5g, в прогрессивных странах со стороны регулирующих органов к данной теме уже сегодня обращено серьезное внимание, в связи с чем проводятся работы по стандартизации и обеспечению безопасности в этой сфере. К примеру, в Европе существует специальная экспертная группа 5g PPP (5g Infrastructure Public Private Partnership) на базе Европейcкой Комиссии и представителей индустрии информационно-коммуникационных технологий (операторы, провайдеры, институты, малый и средний бизнес) из Британии, Франции, Швейцарии, Австрии, Финляндии, Греции, Польши и Эстонии [1]. Государственно-частное партнерство 5g PPP будет предлагать решения, архитектуры, технологии и стандарты для БПЛА. Через данную государственную инициативу Евросоюз видит один из путей для укрепления своего технологического лидерства на мировой арене.
При наличии стандартов, регулирующих массовый оборот дронов, систем искусственного интеллекта, надежного, постоянного и быстрого беспроводного канала связи 5g для целого улья дронов, можно раскрыть новые рынки и сервисы в самых разных сферах. Представьте: дрон-курьеры, разносящие еду из магазинов или важные медикаменты в труднодоступные места; дроны-спасатели, ищущие потерявшихся в лесу или море людей и днем, и ночью; дроны-пожарные, тушащие очаги возгорания еще на начальной стадии; агрокоптеры, опрыскивающие зерновые культуры – и все в глобальном масштабе, а не в частных случаях.
Но если смотреть все развитие сетей 5-го поколения, то мы можем сделать вывод, что роутеры исчезнут из нашей жизни, ведь со скоростным интернетом 5g нам не понадобиться домашний интернет. А исходя из этого, выдвигаем гипотезу, что пропадут многие компании на рынке. Что повлечет уменьшение рабочих мест. И я считаю что это проблема для развития сетей 5го поколения [5].
Завершая отметим, что появление сетей пятого поколения действительно может стать переломным моментом для рынка, который изменит его структуру, выведет новых участников и новые устройства. Как оно будет на самом деле, покажет будущее.
Заключение
Рассмотренная проблема развития сетей 5-го поколения не имеет на сегодняшний день решения. Не потому что нет технологий или чего-то еще. Нет пока политического решения по частотам, что теоретически может застопорить развитие данного сегмента рынка в нашей стране. Но мы рассчитываем на решение данной проблемы.
Пока 3G дал нам мобильный интернет, а 4G дал нам доступ к широкополосному интернету переопределив то, как мы взаимодействуем с нашим миром — 5g в свою очередь объединит всех и всё. Технология 5g разрабатывается для значительного расширения емкости сети, чтобы можно было подключать автомобили, электросети, бытовые приборы, медицинские приборы, промышленное оборудование, дома, города, фермы и многое другое. Также 5g сократит задержки и повысит надежность сети, позволяя таким критически важным задачам, как удаленная хирургия, самоуправляемые автомобили и повышенная общественная безопасность, обеспечить безопасное и молниеносное соединение.
Данные сети смогут оживить рынок смартфонов. После десятилетия беспрецедентного роста, мировой рынок смартфонов остановился в 2017 году. Темпы инноваций в отрасли заметно замедлились, и смартфоны получили массовое распространение в глобальном масштабе. Мы ожидаем что, поставки смартфонов увеличатся, а сети 5-го поколения в России все-таки будут развернуты. Гипотезу исследования считаем подтвержденной.
Список использованных источников и литературы
5G Беспилотные летательные аппараты: испытания беспилотных летательных аппаратов для вертикальных применений с использованием передовых средств 5G. URL: www.5g-ppp.eu/5gdrones.
Зачем нужен 5G и почему его появление станет прорывом. URL: https://zen.yandex.ru/media/na_sviazi/zachem-nujen-5g-i-pochemu-ego-poiavlenie-stanet-proryvom-5d1efe51042b2200ad9cee80.
История развития сотовой связи: от 1G до 5g. URL: http://digitrode.ru/articles/1323-istoriya-razvitiya-sotovoy-svyazi-ot-1g-do-5g.html.
Как изменится рынок облачного гейминга и стриминга с приходом 5g. URL: https://hightech-fm.turbopages.org/hightech.fm/s/2020/05/14/gaming-5g.
Страсти по 5g: когда в России развернут новые мобильные сети. URL: https://ria.ru/20201016/seti-5g-1580028142.html.