Окончателното ръководство за 5G: Всичко, което трябва да знаете

Справедливо е да се каже, че през последните няколко години не е имало модна дума с толкова силно маркетингово въздействие, колкото думата 5G. Думата означава толкова много, че индустрията я популяризира във всяко кътче и кътче. Новите смартфони поддържат 5G. Новите внедрявания на оператори говорят за 5G услуги. Доставчиците на чипове говорят за 5G модеми и SoC. Производителите на устройства продават 5G като „следващото голямо нещо“, което ще „промени живота на потребителите“. В зависимост от това с кого говорите, ще чуете различни неща за 5G. Дали това е леко подобрена 4G мобилна широколентова връзка, или е технологията, която ще свърже индустриите и услуги, захранват огромен брой IoT устройства и служат като опорна опора за бъдещето иновация? Какво точно е 5G? Заслужава ли си рекламата?

5G ще бъде голяма част от мобилната ера през 2020 г. и ще бъде трудно да се отдели зърното от плявата. Какво трябва да знаят потребителите? Това е нашето задълбочено ръководство за 5G, където ще изложим отговорите на тези въпроси.

Какво е 5G?

5G е мобилната мрежа от пето поколение. 5G NR (Ново радио) е въздушният интерфейс, който захранва 5G, наследявайки 4G LTE. Спецификацията 5G е разработена от 3GPP, орган за индустриални стандарти. Издаване 15 на спецификацията е завършен през 2018 г., докато Издаване 16 е завършен през юни 2020 г.

Подобно на 4G, 5G е клетъчна мобилна мрежа, която осигурява мобилна широколентова връзка. Той използва допълнителни радиочестотни (RF) вълни, които не са достъпни за 4G, но основният принцип е същият: мрежи са разделени на клетки и устройствата получават клетъчна свързаност чрез свързване към радиовълни, излъчвани от инсталиран носител възел. Големите предимства на 5G пред 4G са увеличен капацитет, по-висока честотна лента и по-високи скорости.

Задният фон

На всеки около десет години мобилните мрежи получават технологично надграждане по отношение на стандарта. 1G мрежите от 80-те години бяха аналогови мрежи. Пускането на 2G GSM беше голям крайъгълен камък през 1991 г., тъй като 2G мрежите бяха цифрови мрежи. 2G мрежите, например, донесоха поддръжка за SMS съобщения. Имаше три вида 2G мрежи: GSM, TDMA и CDMA. 2G GSM мрежите по-късно донесоха елементарни и бавни мобилни данни под формата на GPRS и EDGE (2.5G и 2.75G съответно). Сърфирането в мрежата с 2G означаваше да чакате минути за зареждане на уеб страница, но това беше само началото на мобилния интернет.

Първите търговски 3G мрежи бяха въведени през 2001 г. Докато 2G означава цифрово гласово обаждане, 3G означава мобилни данни. Точно като 2G, 3G беше от няколко вида: W-CDMA (което беше използвано в глобалните телефони и по-късно се разви до HSPA), UMTS и CDMA2000, за да назовем само няколко. Отне много време, докато 3G мрежите се разпространят по целия свят; Индия, например, нямаше 3G мрежи до 2010 г. Въпреки че мобилният интернет беше жизнеспособно начинание с 3G, скоростите на данни не бяха толкова добри, тъй като 3G UMTS имаше само цел за скорост на данни от 144 Kbps в началото. HSPA и HSPA+ (3.5G) наистина подобриха скоростите на данни, но в по-голямата си част сърфирането в мрежата в 3G беше бавно изживяване със скорости, вариращи от 1Mbps до 10Mbps средно.

След това дойдоха 4G LTE мрежи, започващи през 2010 г. 4G беше стандартът, който превърна бързите, използваеми мобилни данни в реалност. Имаше цел за скорост на изтегляне на данни от 100 Mbps, но много 4G мрежи в наши дни имат по-ниски скорости на изтегляне поради претоварване. Той отключи нови индустрии като споделеното пътуване. Той донесе IP-базирана телефония под формата на глас през LTE (VoLTE). 4G LTE беше наследник както на глобалното 3G (WCDMA/UMTS/HSPA), така и на EVDO Rev A. 4G мрежите бяха най-добрите досега, а смартфоните с 4G бяха по-мощни от всякога. 4G е повторен от LTE-Advanced и напредъкът в 4G продължава да се случва с нови модемни чипове, които се пускат всяка година. 4G е зряла технология, която промени света.

С непрекъснато нарастващите изисквания за данни обаче 4G не успя да се справи. 4G мрежите започнаха да се претоварват и тъй като повече потребители ги използваха, скоростите на данни започнаха да падат.

Настъпи времето за ново клетъчно поколение.

5G мрежите и модемите се разработват вече четири години, но комерсиалното 5G започна да се превръща в реалност едва през 2019 г. През 2020 г. бяха въведени повече 5G мрежи и повече 5G устройства бяха пуснати на пазара. 5G все още не е масова реалност за повече от половината свят, но през следващите пет години това ще се промени. Разгръщането на 4G мрежи е повече или по-малко завършено и така операторите насочват вниманието си към 5G.

Приложенията на 5G: клетъчни данни и глас, корпоративни решения и IoT

5G е широко понятие. Най-общо казано, той има приложения в три области:

• Мобилни данни и глас
• Корпоративни решения
• IoT свързаност

5G за потребителите на смартфони се занимава с първото поле. Корпоративният сектор без съмнение също ще се възползва от него с приложения в такива индустрии като автомобили без шофьор, интелигентни градове, приложения в медицинския сектор, интелигентни машини, интелигентно производство, и т.н. По отношение на третото поле, IoT, телекомуникационните и мобилните индустрии обявяват от години, че 5G ще свърже огромен брой устройства с Интернет на нещата (IoT). Всичко около нас ще бъде свързано. ще стане ли Евентуално. За потребителите на смартфони последните две области са интересни от академична гледна точка, но първото поле – мобилни данни и глас – всъщност е важно за крайните потребители.

За потребителите на смартфони 5G се отнася до по-бързи данни – много, много по-бързи в някои случаи. Новите мрежи също обещават невероятно ниска латентност, наравно с кабелната широколентова връзка. Това ще бъде голяма работа за случаи на използване като мултиплейър облачни игри, които разчитат на изключително ниска латентност. Докато 4G мрежите никога не са успявали да намалят латентността до нивата на кабелна широколентова връзка, 5G обещава точно това.

5G също така ще има много по-висока честотна лента и капацитет за мрежови данни. Предполага се, че няма да бъде толкова претоварено, колкото беше 4G, когато огромен брой потребители започнат да използват мрежата. За операторите, които са претоварили 4G мрежите, 5G ще представлява подобрено качество на услугата, по-малко време на престой и по-добро клиентско изживяване.

Все пак всичко опира до скоростите. 5G спецификацията цели 20Gbps максимални скорости на връзката надолу, което е десет пъти повече от най-високия 4G LTE модемен чип (който достига до 2Gbps). Разбира се, засега 20Gbps е само теоретична цел. Най-добрите модемни чипове, пуснати от доставчиците на чипове Qualcomm и Samsung, могат да достигнат теоретичен максимум от 10Gbps при използване на 5G с милиметрова вълна.

С тези скорости, потребителите естествено ще очакват 5G да бъде с порядък по-бърз от техните съществуващи 4G LTE мрежи. Все пак е по-сложно от това. Мрежи като T-Mobile и нисколентовите 5G мрежи на AT&T са само малко по-бързи от 4G мрежите. В някои случаи те дори могат да бъдат по-бавни. 5G мрежата не означава непременно, че ще бъде значително по-бърза от 4G мрежа, защото всичко е свързано с радиочестотния спектър. Заешката дупка тук е доста дълбока, така че можете да имате 5G мрежи със скорост на предаване на данни от само 30-50Mbps, докато други среднолентови 5G мрежи могат да достигнат до 500-600Mbps. Мрежите са различни. мрежа видове също варират.

Технологията зад 5G: OFDM, спектър и режими

Говорейки в общи линии, 5G се захранва от същата технология, която захранва 4G: мултиплексиране с ортогонално честотно разделяне (OFDM). OFDM е вид цифрово предаване и метод за кодиране на цифрови данни на множество носещи честоти. Той е здрав и ефективен, така че е предпочитаната технология. 5G включва както технологиите за дуплекс с честотно разделяне (FDD), така и дуплекс с разделяне по време (TDD), точно като 4G (FDD-LTE и TDD-LTE).

Ключовата характеристика, която разделя 5G от 4G, е спектърът. Спектърът е диапазонът от електромагнитни честоти, които се използват за предаване на данни по въздуха. 5G може да използва по-широк спектър от радиочестотни вълни от 4G, което му дава възможност да предоставя по-високи скорости и по-висок капацитет на данни. 10-20MHz от 5G спектъра в ниска честотна лента, като 600MHz, ще даде скорости, вариращи от 50Mbps-100Mbps, но докато се движите нагоре по честотния спектър, скоростите също се повишават бързо.

4G спектърът може също да бъде преназначен благодарение на технологията, наречена Dynamic Spectrum Sharing (DSS). Това е, което превозвачи като напр AT&T прави в САЩ Най-високите 5G скорости обаче ще бъдат постигнати само с по-високи честоти.

Има два режима на 5G: несамостоятелен режим (NSA) и самостоятелен режим (SA). В момента почти всеки оператор разчита на NSA 5G. Тук 5G мрежата зависи от 4G базови станции и 4G основна мрежа. Преносът на връзка за данни в такива мрежи се извършва чрез 4G мрежови съоръжения. NSA е по-лесно за разгръщане от операторите, тъй като те могат да използват повторно своите 4G основни мрежи и мрежови съоръжения. Недостатъкът тук е, че зависи от по-стара технология, използвана за 4G, така че скоростите няма да бъдат толкова високи, докато латентността няма да бъде толкова ниска, колкото може да бъде в режим SA. Въпреки това все още има предимства за самия протокол 5G, които се надяваме потребителите да осъзнаят.

Режимът SA е истинската 5G мечта, която операторите наистина започват да прокарват. И двете T-Mobile в САЩ и Verizon предлагат комерсиални самостоятелни 5G мрежи, но AT&T все още се бави в момента. SA 5G мрежите са напълно независими от 4G, тъй като използват 5G основна мрежа и независими мрежови съоръжения. Преносът на връзка за данни тук не разчита на 4G технология, което означава, че SA мрежите могат да обещаят много по-високи скорости и много по-ниско забавяне.

По-новите версии на смартфони, захранвани от най-новите модеми, поддържат и двата режима, което означава, че поддържат бъдещи SA мрежи в допълнение към настоящите мрежи на NSA.

Мрежови ленти обяснени

Sub-6GHz - Ниска и средна лента

Има два вида 5G. Единият е 5G под 6GHz, който може да се смята за истински наследник на 4G LTE. Другият е милиметрова вълна 5G (mmWave). Когато четете за 1Gbps скорост на връзката надолу и изисквания за пряка видимост към възел, вие четете за mmWave. Когато четете за надеждни 5G мрежи, които действително работят на закрито и с реални скорости от 100-500Mbps, вие четете за под 6GHz.

Повечето потребители ще изпитат само под 6GHz, защото в световен мащаб операторите са били достатъчно интелигентни, за да третират mmWave с повишено внимание. В някои страни като САЩ обаче операторите (цинично според мен) пуснаха първо mmWave поради първоначалната липса на наличен спектър под 6 GHz. Докато държави като Русия, Япония и Южна Корея се присъединиха към mmWave, по-голямата част от света избра да играе на сигурно с под 6GHz.

Какво обаче означават тези термини?

Sub-6GHz 5G (наричан още sub-6) означава, че радиочестотите на мрежовите ленти са по-ниски от 6GHz. (Като настрана, всички 4G ленти са под 6GHz.) mmWave, от друга страна, означава радиочестотите на обхватите са по-високи от 6GHz. Честотните ленти mmWave варират от 24GHz до 100GHz, но на практика досега операторите са пуснали мрежи, вариращи от 26GHz-39GHz.

Sub-6GHz е от два вида: нискочестотен и среден диапазон.

Нисколентовият 5G е подобен на FDD-LTE диапазоните, които се използват в 4G мрежите днес. Тези ленти имат най-ниските радиочестоти от 5G „слоеста торта“, наречена от T-Mobile. T-Mobile има 600MHz "национална" 5G мрежа в САЩ например, докато AT&T има подобна 700MHz мрежа. Нискочестотните ленти като тези са най-добри за проникване през препятствия като сгради, дървета и достигане възможно най-далече от даден възел, инсталиран от оператор. Това прави тези ленти оптималният избор за осигуряване на страхотно покритие на закрито. Обратно обаче, техните ниски честоти означават, че те имат най-нисък капацитет за пренос на данни, което от своя страна означава, че скоростите не са толкова високи, колкото можете да очаквате от 5G.

Често задаваните въпроси в Google Търсене вече задават: „Защо 5G е толкова бавен?“ До известна степен това е специфичен за САЩ проблем. САЩ влязоха ол-ин с ниска честотна лента и mmWave, като пропуснаха важната средна честотна част от уравнението. Националните 5G мрежи на T-Mobile и AT&T са достъпни за стотици милиони хора, но техните скорости на данни изобщо не са впечатляващи. Най-много те могат да достигнат само няколкостотин мегабита в секунда скорост на изтегляне, но в реалния свят това е много повече вероятно те ще достигнат 50-100Mbps, като скоростите ще са до 20-30Mbps, което е неразличимо от средното 4G.

5G мрежите в други части на света, като Южна Корея, Япония и Обединеното кралство, не страдат от този проблем, тъй като те подчертаха необходимостта от средна честотна лента. Нисколентовите мрежи ще продължат да бъдат част от тортата, но засега САЩ наблягат твърде много на тях. Проблемът се усложнява от факта, че операторите нямат критичния спектър, необходим, за да позволят на тези нисколентови мрежи да постигнат пълния си потенциал по отношение на скоростите на данни.

Средната честотна лента е оптималният избор за изграждане на 5G мрежа. Среднолентовите честоти като популярната лента от 3,5 GHz, както и лентата от 2,5 GHz не са най-добрите в проникващи препятствия, за разлика от ниските честоти, нито могат да пренасят толкова данни, колкото mmWave честоти. Те не са най-добрите нито за покритие на закрито, нито за най-високи скорости на данни, но са най-доброто универсално устройство. Средночестотното покритие е приемливо, стига операторите да желаят да инсталират подходящия брой възли на всяко дадено място. Освен това скоростите на данни не са проблем, стига да има достатъчно наличен спектър, който операторите да използват. В края на краищата 4G ленти като TDD-LTE лента 40 (2300MHz) също са средно честотни и оператори като Jio и China Mobile ги използват с успех съответно в Индия и Китай.

Проблемът със спектъра е мястото, където американските превозвачи се натъкнаха на пречка. Досега нито един от трите основни оператора в САЩ не е пуснал средночестотна мрежа за стотици милиони хора. След сливането със Sprint, T-Mobile има започна изграждането на средночестотна мрежа, но досега е наличен само в няколко града. Verizon и AT&T все още не са пуснали средночестотни 5G мрежи, защото дори нямат наличния спектър. Съединените Щати. FCC освободи ценен спектър в обхвата C по-рано тази година, много по-късно от други страни. И Verizon, и AT&T оттогава пуснаха своите средночестотни мрежи в началото на 2022 г., много по-късно от останалата част от света и по-късно, отколкото и двата оператора бяха обещали първоначално.

Потребителите на средночестотни 5G мрежи в страни като Южна Корея съобщават за големи скорости и това е моделът, който останалият свят трябва да следва.

Противоречивата природа на mmWave

mmWave 5G е съвсем различен въпрос. Оказва се, че всички възражения, които много информирани хора в телекомуникационната индустрия имаха срещу mmWave, бяха правилни. Да, той осигурява невероятно високи скорости - скоростите могат редовно да преодоляват бариерата от 1Gbps за връзка надолу. Да, наистина има ниска латентност. Нищо от това обаче няма значение в значителна степен, когато вземете предвид ограниченията на технологията.

mmWave изисква пряка видимост към възела, инсталиран от оператора. Обхватите mmWave използват невероятно високи радиочестоти, започвайки от 24GHz и стигайки до 40GHz. Тези честоти се блокират от препятствия като сгради, дървета и дори ръката на потребителя. Дори дъжд ще влоши сигнала, а географският обхват на тези честоти е само около 500 метра. Това означава, че освен ако превозвачите не инсталират възли във всяка лента, улица и квартал, mmWave сигнал никога няма да бъде достъпен за повечето потребители. Можете да използвате формиране на лъч и да поставите множество антенни модули в телефона, но не можете да преодолеете физиката в края на деня. mmWave Разширен обхват за Фиксиран безжичен достъп (FWA) в момента е в процес на разработка, което ще разшири покритието си до около 7 км, въпреки че вероятно все още е далеч от достигането до потребителите и наистина няма да работи със смартфони.

Да, тези ограничения се дължат на физиката. Има причина толкова много спектър да е неизползван в тези високи честоти. Използването им за мобилна мрежа, която всъщност зависи от радиовълните, достигащи възможно най-далече, е лоша идея. По принцип това е лоша идея и превозвачите едва сега започват да го осъзнават. В САЩ, например, T-Mobile спря да промотира своята mmWave 5G мрежа, която е достъпна на избрани места в избрани градове в страната. Мрежата mmWave на AT&T дори не е достъпна за обикновените потребители, тъй като е ограничена до бизнеса. Единствено Verizon все още рекламира своята мрежа mmWave „5G Ultra Wide Band“, но след като факторът на новост от скоростите от 1Gbps изчезне, има много малко полза от тези новомодни мрежи.

Аргументът може да бъде направен, че mmWave 5G работи най-добре, когато е предназначен за пренаселени места като забележителности, стадиони, зали за срещи и т.н. Все още не бих се съгласил, тъй като средночестотната 5G е просто далеч по-добър компромис. Кое звучи по-добре: 1Gbps 5G със сигнал, който изчезва веднага щом се отдалечите от обществената забележителност, или 600Mbps 5G със сигнал, който всъщност продължава, когато се отправите на закрито? Знам коя бих избрала. Освен това, това е много по-лесен избор и за операторите: харчете по-малко пари за инсталиране на mmWave възли и имате мрежа, която може да се използва от повече хора в по-широка географска област.

За щастие, както споменах, по-голямата част от операторите са останали далеч от mmWave. Разгръщането на 5G на места като Саудитска Арабия, Европа и Китай се базира на средна честотна лента и в някои случаи се допълва от ниска честотна лента.

5G екосистемата

Самата технология е нищо без своята екосистема. 5G екосистемата се състои от оператори, които разгръщат 5G мрежи, производители на мрежови чипове, доставчици на чипове, които продават модемни чипове, които позволяват на смартфоните да се свързват с тези мрежи, и производители на устройства, които продават телефони на крайни потребители. Други заинтересовани страни в индустрията включват правителства и техните антитръстови органи, изпълнители и др.

Превозвачи

През юни 2020 г. 35 държави са въвели някаква форма на 5G мрежа до момента. В света има 195 държави, така че има още доста време да се измине, преди 5G мрежите да са налични дори в половината от страните по света. В този момент Qualcomm ще посочи, че приемането на 5G е по-бързо от 4G LTE досега. Сега през 2022 г., според доклад на GSA, 85 държави са пуснали 5G мрежи в съответствие с 3GPP.

Доставчици на чипове

Сега има два вида доставчици на чипове. Доставчици като Huawei, Nokia, Ericsson, Samsung и ZTE продават 5G мрежови чипове на оператори за изграждане на базови станции и операторски възли. Благодарение на политически обвинения и обвинения в сигурността, Huawei беше блокиран от продажба или участие в 5G мрежи на много западни страни, като САЩ. Това оставя Ericsson и Nokia да носят мантия. От друга страна, общоприето е, че Huawei има технологично предимство в мрежовите чипове, а 5G мрежите в Китай са изградени от Huawei. Със забраната за търговия с HiSilicon обаче не е ясно как ще продължат нещата в бъдеще.

Другият тип доставчици на чипове са тези, които продават модемни чипове на производители на смартфони. Qualcomm е основният пример тук, но Samsung Systems LSI и MediaTek също играят роля. Модемните чипове на HiSilicon Group на Huawei бяха използвани от самия Huawei, но с предстоящото разпускане на HiSilicon това изглежда е към края си.

Първо поколение X50 5G модем-RF система на Qualcomm беше обявено още през октомври 2016 г, и задвижи първата вълна от 5G телефони в началото на 2019 г. 7nm второ поколение X55 модем-RF система захрани няколко телефона със Snapdragon 855 в края на 2019 г., но влезе в широко приложение през 2020 г. Той е съчетан с флагмана Snapdragon 865 SoC, който няма собствен интегриран модем. 5nm трето поколение X60 модем беше обявен от Qualcomm през февруари 2020 г. и се появи в следващото поколение чипсети на Qualcomm. Той донесе иновации като агрегиране на оператори на различни 5G режими, по-високи скорости на връзката надолу и др. Най-новият 5G модем на Qualcomm е Snapdragon X70 и идва със Snapdragon 8 Gen 2.

Qualcomm също изведе 5G в горния среден ценови клас с пускането на пазара Qualcomm Snapdragon 765 през декември 2019 г., който имаше собствен интегриран Snapdragon X52 5G модем. Имаше по-ниски спецификации, но поддържаше както под 6GHz, така и mmWave. През юни 2020 г. компанията изведе 5G в долния среден ценови клас с обявяването на Snapdragon 690, който поддържа 5G под 6GHz (а не mmWave).

Първият 5G модем на Samsung Systems LSI беше Exynos 5100, който захранва първите 5G телефони Exynos миналата година. То беше наследено от 5G модем Exynos 5123, който се използва в захранваните от 5G Exynos 990 варианти на сериите Galaxy S20 и Galaxy Note 20. Exynos 980 SoC от среден клас също поддържа 5G. Освен Qualcomm, Samsung е единственият доставчик на чипове, който произвежда и продава mmWave 5G модеми. Вариантите 5G Exynos на Galaxy S20 и Galaxy Note 20 нататък имат поддръжка на mmWave.

MediaTek, от друга страна, навлезе в ерата на 5G с пускането на новата си серия 5G Dimensity от SoC. Първият SoC, обявен в тази серия, беше Размер 1000 през ноември 2019 г. Той последва това пускане, като лансира средния клас Размер 800, модернизираният Размер 1000+ и Размер 820, както и долния среден слой Размер 720 през 2020 г. 5G модемите на MediaTek избират да се откажат от поддръжката на mmWave, избирайки да се придържат към под 6GHz.

Текущото състояние на 5G екосистемата и бъдещи перспективи

Преди години 5G екосистемата беше незряла и незавършена. Беше прехвърлен към телефони, струващи над 1000 долара. През 2020 г. екосистемата е узряла много по отношение на наличността на устройствата, качеството на 5G мрежите, качеството на 5G модемите и мащаба на самите мрежи. Някои от 5G телефоните от първо поколение бяха толкова незрели, че се развиха странни ситуации. Вариантите Sprint на OnePlus 7 Pro 5G, Galaxy S10 и LG V50 ThinQ вече не може да се свързва с никоя 5G мрежа поради сливането на T-Mobile със Sprint. Телефоните mmWave 5G от първо поколение, пуснати на T-Mobile, не могат да се свържат с националната нискочестотна мрежа на оператора. Операторите използват различни мрежови ленти, така че производителите на устройства трябва да включат възможно най-много ленти, за да имат отключени телефони, съвместими с всички мрежи.

Заключение

5G е сложна тема. В тази статия ние само надраскахме повърхността на различните подтеми на 5G. Други подтеми, които не са обхванати тук, включват потенциала на 5G като заместител на домашната широколентова връзка, енергийната ефективност на 5G модемите, въздействието на 5G върху цените на водещите смартфони, структурата на разходите за 5G услуги и много други.

Много е писано за 5G и още много ще продължи да се пише за него, докато неизбежно бъде наследено от следващото безжично поколение. Ще има много дебати за необходимостта и ефикасността на 5G. Ще има много маркетингов жаргон. Ще има много наддаване. Индустрията се обедини около 5G, защото тук могат да се правят много пари. Харесва ви или не, изглежда, че 5G е тук, за да остане.

Препратки

1. Какво е 5G? - Qualcomm
2. Ericsson - Доклад за наличност на 5G устройства - юни 2020 г
3. GSMA - Ръководството за 5G