Почему 5G быстрее? Какие новые технологии используются в 5G?

5G-интернет станет самым быстрым в истории мобильных коммуникаций за счет нескольких факторов, которые можно разбить на три основные группы: расширение полосы частот, развитие существующих технологий и появление новых технологий. Давайте поговорим об этих аспектах подробнее, а также ответим на самые популярные вопросы о сотовой связи 5G.

Широкая полоса частот в новых 5G-диапазонах

Вопреки распространенному заблуждению, пропускная способность сотовой сети практически не связана с используемым частотным диапазоном. Главным фактором является не сама частота, а ширина полосы частот, которая выделена оператору. Само по себе изменение несущей частоты влияет на скорость мобильной сети лишь опосредованно (например, за счет изменения проникающей способности радиоволн) и не является решающим фактором.

Чтобы представить, как это работает, достаточно взглянуть на пример самой простой амплитудной модуляции, которая широко используется в радиотехнике. Как видно из картинки ниже, изначальный (кодируемый) сигнал накладывается на несущую частоту и меняет один из ее признаков, в данном случае — амплитуду.

Аналоговая амплитудная модуляция
Исходный сигнал (сверху), несущая частота (по середине), передаваемый сигнал (снизу)

Изменение амплитуды сигнала и становится маркером, с помощью которого приемник может восстановить исходный «материал». При этом сама несущая частота не имеет значения: мы можем уменьшить или увеличить частоту колебаний, на которые накладывается исходный сигнал, но объем передаваемой информации от этого не изменится.

В сотовых сетях используется более сложная — квадратурная — модуляция, однако общий принцип не меняется. Несущая частота выступает лишь транспортом, который передает исходный сигнал. Поэтому говорить о том, что скорость мобильной связи зависит от несущей частоты — не корректно. Однако в большинстве случаев такая закономерность прослеживается. Почему?

Как мы сказали выше, основным фактором, влияющим на пропускную способность соединения, является ширина полосы частот. Чтобы проиллюстрировать эту идею, можно привести несколько примеров из реальной жизни:

• трафик на автомагистрали зависит от ширины дороги и количества полос, а не от высоты над уровнем земли;
• комнаты одинаковой площади вмещают одинаковое количество мебели независимо от того, на каком этаже они расположены. Чтобы вместить в комнату больше вещей, вам нужно увеличить ее площадь, а не переехать на верхний этаж;
• при передаче сообщения с помощью азбуки Морзе не важно, кодируется ли оно низкочастотным «пищанием» (пи-пи-пиии-пи-пи) или отбивается на барабане (бум-бум-бууум-бум-бум). Содержание сообщения от этого не меняется.

Вернемся к нашему первоочередному вопросу: почему 5G быстрее? Зная, что основным фактором является ширина полосы частот, легко понять, почему именно 5G станет самой быстрой сотовой связью в мире. Дело в том, что именно в 5G-связи операторам планируется выделить гораздо большие диапазоны частот, чем это было в 3G- и 4G-сетях.

Ширина полосы частот подобна ширине дороги. Чем шире проезжая часть,
тем больший трафик она может пропустить

Свободные частоты — это золотой ресурс, который используется во многих сферах жизни. Государство далеко не всегда может (и далеко не всегда хочет) выделить частоты для сотовой связи. Низкие диапазоны частот давно распределены и заняты, там просто «не осталось места» для существенного расширения под сотовую связь. Поэтому с каждым новым стандартом сотовой связи несущая частота постепенно повышается, ведь в более высоких диапазонах проще найти свободное пространство для новых сетей.

Чтобы наглядно оценить, на сколько вырастет полоса пропускания в 5G-сетях по сравнению с предыдущими стандартами, достаточно взглянуть на таблицу сравнения:

Легко заметить, что полоса частот 5G-стандартов в разы выше, чем у «самых быстрых» стандартов 4G. И если ранее максимальная полоса пропускания для одного оператора составляла 20 МГц, то в 5G sub-6 GHz это значение вырастет до 100 МГц, а в миллиметровом диапазоне — до 400 МГц!

Именно с целью добиться максимальной полосы пропускания и вводятся в эксплуатацию новые частотные диапазоны, такие как n78 и n79.

Какая скорость будет у 5G-интернета?

В интернете можно встретить очень большой разброс цифр о скорости 5G-интернета. Обычно в качестве примерных значений указываются сотни мегабит, гигабиты или даже десятки гигабит. Следует понимать, что в большинстве случаев производителями оборудования и операторами указываются теоретические значения, достижение которых возможно только в специальных лабораторных условиях. Например, один из первых 5G-роутеров Huawei 5G CPE Pro поддерживает скорость загрузки 1,65 Гбит/с, а последующая модель Huawei 5G CPE Pro 2 увеличивает это значение до 3,6 Гбит/с за счет использования агрегации частот.

Huawei 5G CPE Pro (H112-372) — один из первых 5G-роутеров
с поддержкой частотных диапазонов n78 и n79

Разумеется, на практике скорость будет отличаться от заявленных теоретических значений. Однако, не стоит из-за этого расстраиваться. Реальные тесты в странах, где уже запущены сети 5G, показывают, что интернет в новых частотных диапазонах (sub-6 GHz) будет в несколько раз быстрее 4G-интернета. Точная скорость будет зависеть от расстояния до базовой станции и технологий, использованных оператором. Как и в случае с 4G-интернетом, большое значение будет иметь технология агрегации частот и количество потоков MIMO. В среднем тесты показывают, что скорость 5G-сетей в реальных условиях может легко достигать 300 Мбит/с даже на первоначальном этапе внедрения технологии.

При работе в миллиметровых частотах (5G mmWave) скорость также вырастет в разы, однако и площадь покрытия таких сетей будет минимальна. На данный момент операторы планируют развертывать сети 5G mmWave только в общественных местах, чтобы обеспечить быстрый интернет при большом скоплении людей. Первые тесты 5G mmWave в реальных условиях (например, в действующей сети Verizon в США) показывают, что скорость загрузки может легко преодолевать отметку 1,5 Гбит/с!

Насколько быстрым будет 5G-интернет на старых частотах?

Как мы рассказывали в предыдущей статье, 5G сможет работать в том числе на уже существующих частотных диапазонах, которые сегодня используются для сетей 3G и 4G. Это позволит операторам использовать имеющийся частотный ресурс для дальнейшего расширения и развития своих сетей. Но какая скорость будет доступна абонентам 5G при использовании старых частотных диапазонов?

Разумеется, 5G-связь отличается от предыдущего поколения сотовой связи не только шириной полосы частот. Стандарты 5G содержат множество дополнительных вспомогательных технологий, которые повышают скорость и стабильность соединения. О некоторых из этих технологий мы поговорим ниже. К сожалению, ни одна из них не является переломной с точки зрения пропускной способности.

Текущие тесты из стран, где 5G-сети уже введены в эксплуатацию, свидетельствуют, что прирост скорости на низких частотах составляет в районе 10–20% по сравнению с аналогичными 4G-сетями. Этот показатель сложно назвать прорывным, поэтому пользователям, заинтересованным в сверхбыстром интернете, следует сосредоточить интерес вокруг новых диапазонов, в которых операторам будут доступны широкие полосы частот.

В то же время 5G на низких частотах будет полезен для «интернета вещей», поскольку обеспечивает лучшую стабильность, низкое энергопотребление и минимальную задержку. Также ожидается, что эти сети будут активно участвовать в агрегации частот, позволяя пользователям одновременно задействовать как высокие частоты 5G, так и более низкие.

Дополнительные технологии, используемые в 5G-сетях

Стандарт 5G активно развивает идеи, заложенные в сетях LTE-Advanced, и задействует множество технологий, которые призваны повысить скорость и стабильность мобильного соединения. Давайте кратко познакомимся с некоторыми из них:

• Massive MIMO — технология многопотоковой передачи данных. В 4G-сетях уже широкое распространение получила технология MIMO 2x2, при которой прием и передача данных происходят в двух потоках. Ожидается, что в 5G повсеместно будут использоваться модули MIMO 4x4 и выше, обеспечивающие обмен данными в большим количестве независимых потоков.
• MU-MIMO — технология, позволяющая источнику сигнала одновременно «общаться» с несколькими устройствами пользователей. Технология получила широкую популярность в беспроводных WiFi-сетях и теперь приходит в сотовую связь. В отличие от классической схемы подключения, где источник сигнала попеременно «переключается» между пользователями или выделяет пользователю ресурс для монопольного использования, MU-MIMO позволяет взаимодействовать с несколькими устройствами одновременно. Применение MU-MIMO оптимизирует использование пропускной способности базовой станции, повышая скорость для конечных клиентов.
• Beamforming (формирование направленного луча) — современная технология, с помощью которой антенны базовой станции могут сфокусировать сигнал в направлении абонента вместо того, чтобы излучать сигнал в фиксированном секторе. Технология beamforming повышает качество соединения при слабом сигнале и обеспечивает более стабильное соединение для перемещающихся пользователей (например, автомобилистов).
• Режим двойного подключения (EN-DC) — режим одновременного использования 4G- и 5G-подключения при работе в неавтономных 5G-сетях (NSA). Суть режима заключается в том, что устройство пользователя агрегирует ресурсы 4G и 5G, чтобы получить максимальную скорость соединения.
• Дополнительный канал «вверх» (SUL — Supplementary Uplink) — ряд низкочастотных бэндов 5G может использоваться в качестве дополнительного канала отправки данных. Предполагается, что бэнды SUL будут активироваться на границе действия 5G-сетей, чтобы расширить дальность действия базовой станции. Как правило, мощность базовой станции в направлении абонента выше, чем мощность абонентского устройства в сторону базовой станции. Использование SUL позволяет принимать данные на высоких частотах 5G, а отправлять на специально выделенных низких диапазонах, имеющих большую дальность действия. Благодаря использованию SUL, удается расширить площадь действия соты без увеличения мощности абонентских устройств.

5G использует технологии MU-MIMO и Beamforming,
чтобы обеспечить высокую скорость соединения и оптимальную загрузку базовой станции

Площадь покрытия базовых станций 5G

Площадь покрытия базовых станций 5G будет в первую очередь зависеть от используемого диапазона часто. Поскольку стандарт включает как низкие, так и высокие частоты, в распоряжении операторов будут иметься гибкие инструменты, позволяющие построить оптимальную сотовую сеть с учетом основных сценариев использования.

• Низкие частоты, которые сегодня применяются для связи GSM, 3G и 4G, смогут использоваться для 5G-соединения за пределами городов или в городах для агрегации частот. Площадь покрытия таких 5G-сетей будет соизмерима с текущими сотовыми сетями 3G/4G, запущенными на аналогичных частотах (обычно до 5–10 км на открытом пространстве).
• Сотовая связь в новых диапазонах, таких как n78 (3300–3800 МГц) и n79 (4400–5000 МГц), будет существенно ниже (несколько километров). Одна из основных причин, по которым сотовые операторы в России настаивают на использовании европейского диапазона частот n78 — плотность базовых станций в городах. Применение более высокого азиатского диапазона n79  потребует от операторов еще более частого размещения базовых станций, что ведет к удорожанию инфраструктуры.
• Высокоскоростные сети 5G mmWave рассчитаны на дальность действия 200–1000 м на открытом пространстве и на несколько десятков метров в помещениях.

Правда ли, что 5G опасен для здоровья? Почему все боятся 5G?

5G — это первый широко внедряемый стандарт сотовый связи, предусматривающий использование миллиметровых волн. Речь идет о стандартах 5G mmWave, работающих в частотных диапазонах свыше 20–30 ГГц. Вследствие этого у многих людей возникают опасения, что сотовая связь 5G вредна для здоровья.

Однако миллиметровые волны не являются ионизирующим излучением и не могут повредить человеку на молекулярном уровне. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и другие медицинские организации на сегодняшний день не нашли никаких доказательств негативного влияния частот сотовой связи (в том числе 5G mmWave) на здоровье человека. Единственный научно доказанный эффект ВЧ-излучения — нагрев поверхности. Однако мощность излучения мобильных устройств и базовых станций сотовых операторов настолько мала, что этот эффект практически отсутствует.

Нужно ли новое оборудование для 5G?

Для перехода на 5G и операторам, и абонентам потребуется обновить оборудование. Полноценные сети 5G требуют серьезного обновления аппаратных и программных средств, поэтому на первых этапах операторы будут использовать неавтономный режим NSA, чтобы запускать 5G-сети поверх существующей 4G-инфраструктуры.

Поддержка 5G также активно появляется в новых моделях смартфонов. Большинство выпущенных на рынок 5G-смартфонов поддерживают только стандарты sub-6 GHz, однако отдельные модели (например, версия Galaxy Note 10 5G для Verizon) уже обзавелись поддержкой 5G mmWave. Основные проблемы, с которыми столкнулись производители смартфонов — большой размер 5G-чипа, повышенное тепловыделение и энергопотребление. Ожидается, что эти проблемы будут постепенно решаться индустрией и через несколько поколений устройств 5G-модули будут столь же удобны для интеграции в смартфоны и модемы, как 4G-модули сегодня.

Производители бытовых сотовых устройств также не стоят на месте. В продаже уже появились первые коммерческие 5G-роутеры. Несомненно, в скором времени на рынке появятся антенны 5G и репитеры для усиления 5G. Купить 5G-роутер вы можете уже сейчас в нашем онлайн-магазине! Оформите заказ онлайн или позвоните по номеру 8-800-3333-965 для получения дополнительной информации.