5G - новата ера в мобилните технологии

Материалът е победител в конкурса Mtel Media Masters 2016, който търси да отличи най-добрите журналистически разработки, показващи как технологиите, иновациите и научните открития влияят върху живота ни и го променят. Той е от брой 176 на списание HiComm и спечели в категория "Печатни медии" - дълга форма.

Голяма част от света, включително и България, все още не е напълно в крак с 4G мобилните технологии, но въпреки това световните телекоми вече шумят за напредък в сферата на 5G. Засега разговорите по темата са леко объркващи и базирани много повече на концепции, отколкото на технологични факти, но все пак следващото поколение мобилни технологии придобива все по-ясна форма, за която може да се говори по-свободно. Най-важното за момента е, че всичко, свързано с 5G, звучи изключително интригуващо – от техническите възможности, които ще предлага, през предизвикателствата, които трябва да преодолее индустрията, до възможността това да е последното поколение мобилни мрежи, което някога ще съществува. 

Пет поколения мобилност

Преди да вперим поглед в недалечното бъдеще, може да погледнем назад във времето, където се крият някои интересни зависимости. Стартът на първите аналогови мобилни мрежи се случва през 80-те години на ХХ век, като след това големите скокове в развитието им се случват горе-долу веднъж на десетилетие, предизвикани от желанието за решаване на конкретен проблем. Така през 1991 г. започва работата на първите 2G мрежи, в които цифровият GSM стандарт решава огромните проблеми със сигурността на аналоговите си предшественици. В началото на нашето хилядолетие пък започнаха да работят 3G стандарти, чиято задача беше да позволят преноса на данни през мобилните мрежи.

Макар тепърва да навлизат на родния пазар, в световен мащаб днес вече властват мрежите от четвърто поколение. Те предлагат по-приятно, бързо и надеждно прехвърляне на данни, което е все по-важно след бума на смартфоните, социалните мрежи и дигиталната комуникация въобще. Така 4G посреща огромното търсене на мобилен трафик, с което 3G технологиите нямаше как да се справят, запазвайки традицията за разрешаване на съществения проблем на предходното поколение. Големият въпрос, който се появява още при зараждането на мислите за 5G, е свързан именно с това – какви проблеми се очаква да разреши новото поколение мобилни мрежи?

В момента Международният съюз по телекомуникациите към ООН позволява на операторите да наричат 4G всяка мрежа, която предлага „значително ниво на подобрение в работата и възможностите“ спрямо 3G. В същото време LTE стандартът, който на практика изчерпва масово достъпните 4G мрежи, включва достатъчно голям набор от технически изисквания, които го отличават силно от HSPA и CDMA стандартите на предходното поколение. Заради това е логично да очакваме, че 5G ще са мрежи, които предлагат значително по-добра работа, отколкото 4G, използвайки нова технология със значително подобрени технически параметри.

Работа в бъдеще време

Ако трябва да сме честни, словосъчетанието 5G в момента всъщност е по-скоро заблуждаващо и некоректно наименование. Причината е, че реално стандарт за 5G все още няма и най-вероятно създаването и дефинирането му ще отнеме месеци, ако не и няколко години. Подобна е и ситуацията по отношение на необходимите технологии, с които ще се формират стандартът и неговите параметри. Затова и днес разговорите за следващото поколение мобилни мрежи се базират на концепции, предложения и пожелания, които ще трябва да се превърнат във факти съвсем скоро.

Ако съдим по настоящите разговори и историческата логика, първите такива мрежи ще заработят през 2020 г., по всяка вероятност в Южна Корея, САЩ или някъде из Северна Европа. За да се случи това, стандартът за 5G трябва да бъде завършен след не повече от 2–3 години, като за целта организации като 3GPP, МСТ и IEEE и всички други замесени страни ще трябва да постигнат съгласие какво да включва той. На фона на фанфарите, с които се говореше за 5G още на Световния мобилен конгрес през 2015 г., тази концептуалност на несъществуващия стандарт може да звучи странно, но истината е, че все пак напредък по темата има. Всички експерименти, за които се тръби от някои телекоми и специализирани медии, полагат основните на стандарта, а вече има и няколко работещи 5G проекта във Великобритания, Европа, Южна Корея и САЩ. Всичко това показва бавното, но сигурно задвижване на огромната машина, която ще доведе до масовото използване на 5G. Въпреки че стандартът не е поставен, вече са ясни някои от основните критерии, които индустрията ще има, за да бъде една мрежа от пето поколение. Най-важни за крайните потребители на пръв поглед са изискванията за скорост на сваляне от поне 1 Gbps и латентност под една милисекунда. Не толкова очевидни са критериите за по-ефективно използване на радиочестотния спектър, но именно тук се крие най-големият проблем по пътя към 5G.

На гребена, но на коя вълна?

Ако можехме да погледнем радиочестотния спектър, вероятно щяхме да видим едно брутално задръстване при по-ниските му честоти. Причината е, че днес почти всички мобилни мрежи на земята, включително и в България, работят на честоти между 700 MHz и 2.6 GHz, без значение дали става дума за LTE или по-стари стандарти. В тези честоти обаче попадат не само мобилните оператори, но и домашните Wi-Fi мрежи, всеки Bluetooth и дори микровълновите фурни на повечето домакинства. В част от този спектър работят и мобилните комуникации на авиацията, военните, аматьорски радиостанции и т.н. Именно заета от военните честота всъщност е причината за огромното забавяне на 4G у нас.

Логичният въпрос, който изниква при запознаване с тази ситуация, е защо мобилните оператори използват тази толкова натоварена част от спектъра. Неговият отговор е свързан с това, че по-нискочестотните вълни имат много по-добър обхват и пробивност. Това означава, че един предавател може да излъчва сигнала си много по-надалеч, а самият сигнал може да минава през сгради и други препятствия по-лесно. Така с по-малко инфраструктура телекомите осигуряват нужното покритие дори и в сложни условия като градската среда. Въпреки това претовареността на спектъра и сравнително мал­кият капацитет, който предлагат ниските честоти, се превръщат във все по-голям проблем, който трябва да бъде решен. Затова, подобно на всеки друг нов стандарт, и 5G пристига с призива на операторите за повече спектър, с който да имат по-добър капацитет. От другата страна са правителствата, които трябва да преценят колко и какъв спектър могат да отпуснат, как да го изтъргуват и освободят, ако вече е зает. Българската практика е много ясен и добър пример за провал в това отношение, довел до значителното забавяне на LTE мрежите, като всъщност случаят тук не е уникален. Това е само още една от причините спектърът да е сред най-ключовите проблеми пред 5G технологиите, чието решение изглежда се крие в излизане от рамките.

В контекста на мобилните оператори излизането от рамките означава разработка на технологии, които работят на честоти извън стандартния спектър. Изборът, който различни експерти проучват, пада на честоти от 6 GHz, преминава през най-обещаващите 28 GHz, но стига и до 70 GHz. Именно този елемент от разговорите и проучванията за 5G е най-несигурният, но и най-вълнуващ.

В света на милиметровите вълни

Още през 2014 г. Федералната комисия за комуникации на САЩ (FCC) заговори за възможностите на високочестотните мрежи, отбелязвайки, че технологичният напредък бавно, но сигурно променя вижданията, че този спектър е непрактичен за мобилни услуги. Експериментите в тази сфера всъщност не са нови, като милиметрови вълни са изпробвани още през 80-те години. Тогава учени откриват, че работата в 60 GHz не е задоволителна, тъй като сигналът много бързо отслабва с отдалечаване от предавателя заради кислорода във въздуха. Допълнителни изследвания обаче откриват, че други високи честоти нямат проблем с въздуха. Пред TechRepbulic Тед Рапапорт, професор в Нюйоркския университет и директор на Центъра за проучвания, свързани с безжични мрежи към университета, казва, че при преминаването към 28 GHz, 38 GHz и дори 70 GHz резултатите са много подобни на това, което предлагат днешните мобилни и Wi-Fi честоти.

Това обаче рязко се променя при срещата на милиметровите вълни с физически препятствия като например стени, които блокират сигнала. Това е и причината в свое становище FCC да отбелязва, че използването на тези технологии ще изисква разполагането на базови станции и на закрито, тъй като 75% от трафика всъщност се случва на закрито. Тук обаче е важно да се отбележи, че вътрешните клетки ще бъдат наистина малки, с размери, подобни на стандартен Wi-Fi рутер. С този размер идва и по-малко покритие, което пък означава, че ще има нужда от много по-гъсти мрежи. Това от своя страна може да доведе до по-висока консумация на енергия.

С решаването на част от проблемите около загубата на сигнал индустрията се изправя пред цяла порция въпроси, които новите честоти предлагат – как ще се разпространяват, как ще изглеждат антените, как ще повлияят на дизайна на телефоните, как ще влияят на човешкото тяло и т.н. Също така тук говорим за изцяло нова технология, около която ще трябва да се изгради екосистема, което от своя страна изисква някой да започне производството на мрежово оборудване и телефони, които да я поддържат. Тази технология ще изисква и изцяло нов подход към клетките и тяхното управление – още едно предизвикателство, за което някой трябва да се погрижи.

Какво означава това за нас

На фона на всички наглед нерешими проблеми, които 5G има към момента, неродената технология вече дава много съществени обещания, които със сигурност звучат привлекателно. На първо време е изискването за минимална скорост за пренос на данни от 1 Gbps, която може да стигне до 10 Gbps, или около 200 пъти повече от възможностите на днешните LTE мрежи. Преведено в практически стойности, това означава, че Full HD филм ще се сваля за между 3 и 5 секунди при максималните скорости или за под минута при минималните. Другият огромен плюс ще е практически несъществуващото поне за човешките възприятия забавяне във връзката. Това означава, че всеки две устройства ще могат да комуникират едно с друго практически моментално. Подобно на историята за Spiderman, и тук с голямата сила идват доста големи отговорности.

Способностите на 5G правят всякакви технологии напълно възможни за изпълнение, като автономни автомобили например. Именно при тях обаче безупречната връзка е от ключово значение. Никой не иска мрежата да не успее да предаде сигнала, който казва на автомобила да спре или да завие. Не бива да забравяме и развитието на Internet of Things, което води до изключителен бум на броя свързани устройства, нуждаещи се от интернет. Всъщност по всичко личи, че 5G няма да е стандарт, който да задоволи толкова пряко човешките нужди, колкото ще е създаден за машините на новото време, за които е от ключово значение да комуникират възможно най-бързо и ефективно.

В още по-практически смисъл новото поколение мрежи, както обикновено, ще пристигне с нови разходи за потребителите. Най-очевидният са променените тарифни планове на телекомите, които ще имат нужда от методи, с които да възвърнат инвестициите си. От друга страна са новите устройства, които всеки от нас ще трябва да си купи, за да се възползва от новите мрежи. При всички положения обаче това ще е по-скоро плавен процес, в който няма да е нужно скъпо префасониране на технологиите на всеки 10 години.

Бъдеще непредвидимо

Една от най-важните особености за 5G всъщност е, че за първи път индустрията сякаш няма крайна цел, която да постигне. Както коментира Анди Сътън от британския телеком EE, „ако направим 5G както трябва, няма да има нужда от 6G“. Скоростта от 1 Gbps е просто базата, от която 5G ще има за цел не да осигурява скокове в скоростта с нови технологии. Целта на тези мрежи ще е да еволюират заедно с нуждите на потребителите и да осигуряват винаги надеждна и бърза връзка, разраствайки се с темповете, с които потребителската електроника се развива.

Истината е, че всичко, което се говори и пише за 5G, от днешна гледна точка звучи като смесица от научнофантастичен сценарий, мечтата на някой гийк и торба глупости, с които големите телекоми се опитват да си направят пиар. Ако отново поглед­нем малко назад във времето, обаче можем да си спомним за състоянието на мобилните технологии преди само 10 години. На пазара все още нямаше смислени смартфони, мобилното сърфиране в интернет беше катастрофално изживяване, а идеята за стрийминг на съдържание тепърва се прокрадваше в света на деск­топ компютрите.

Именно заради това не трябва да изключваме възможността след още 10 години да сваляме филми за 3 секунди, докато автономният ни автомобил получава мигновено информация, че светофарът е червен. Не трябва да изключваме и ва­рианта това въобще да не се случи, но мечтите винаги звучат малко по-интересно.