Архитектура сети 5G | Технологии связи

Massive mimo и beam forming (формирование луча)

Формирование луча при помощи MIMO-антенн не является новой концепцией и уже существует на рынке сотовой связи в качестве AAS (Active Antenna System — активная антенная система). Антенна AAS MIMO, установленная на вышке, позволяет разбить зону покрытия на статические ячейки, тем самым увеличивая эффективность использования спектра и количество каналов (рис. 2).

Применение концепции MIMO-антенн в миллиметровом диапазоне FR2 оказывается еще более интересным, поскольку миллиметровые радиоволны обладают хорошими показателями направленности за счет увеличения в разы количества антенных элементов на антенну. Массив таких антенных элементов (256 и более) можно соединить в одну т. н.

• мощный сигнал на выходе в направлении к UE;
• сильный уровень сигнал/шум в направлении от UE;
• отсутствие межсотовой интерференции;
• значительное увеличение количества каналов связи на одну соту.

Таким образом, технология MIMO предоставляет разные возможности в диапазонах sub6G и mmWave, как показано в таблице 2.

Sky office

Ожидается, что на ранней стадии коммерческого развертывания 5G ключевым 5G-продуктом, помимо смартфонов, станет именно ноутбук с подключением к Sky Office (рис. 7). Sky Office — это концепция переноса вычислительных мощностей ноутбука в облако при оснащении компьютера встроенным 5G-модемом.

Так, в облаке могут размещаться не только файлы пользователя (Cloud Drive), но и программное обеспечение (ПО), такое как MS Office 365 (Cloud Office), или игровые программные продукты (Cloud Games). В этой концепции ноутбук становится, проще говоря, экраном с клавиатурой и камерой.

Если сети сотовой связи обеспечат задержку в единицы миллисекунд и предоставят выделенный надежный канал связи на безлимитной основе (Network Slice), то работа со Sky Office в будущем может стать популярным способом применения ноутбука. При этом потребитель получит ряд интересных качеств, недостижимых с обычными ноутбуками:

• низкое потребление на уровне планшетов со временем автономной работы 14 ч и более;
• ноутбук не тратит время на загрузку ПО, оно уже работает — в облаке;
• потеря ноутбука больше не означает потерю данных и лицензий;
• тонкий и легкий корпус (состав и структура ноутбука упрощаются, а это способствует уменьшению размеров и веса);
• пассивное охлаждение (ноутбук больше не производит энергозатратных вычислений и слабо греется);
• связь безопаснее, чем Wi-Fi, поскольку 5G практически невозможно взломать, канал связи защищен новейшими алгоритмами шифрования.

Конечно, воплощение концепции Sky Office в реальность требует выстраивания целой экосистемы при участии игроков сразу нескольких отраслей, таких как: производителей операционных систем и ПО, производителей ноутбуков, операторов сотовой связи, облачных сервис-провайдеров, производителей чипсетов, производителей eSIM и модулей 5G.

Агрегация частот и спецменеджер частот

В
5G будет
использовать целый набор доступных частотных диапазонов. Частоты в диапазоне
ниже 1 ГГц, в частности 694-790 МГц, будут применяться за пределами крупных
городов благодаря большой зоне покрытия. Частоты в диапазонах от 1 ГГц до 6 ГГц,
в частности 4.4-3,8 ГГц, 4,4-4,99 ГГц и 5,9 ГГц, обеспечат покрытие крупных
городов.

Частоты
в миллиметровом диапазоне (выше 24 ГГц) — 24-29,5 ГГц, 30-55 ГГц, 66-75 ГГц,
81-86 ГГц, будут пригодны для точечного покрытия в местах наибольшего скопления
абонентов: аэропорты, вокзалы, стадионы и т. д.

В
сетях 5Gбудет доступна технология LAA (Licensed-Assisted Access) — использование
участков нелицензируемого спектра со свободным доступом пользователей для
формирования вторичных агрегируемых несущих (SCC) в групповом агрегируемом канале. Будет доступна агрегация с
частотами в диапазонах ниже 7 ГГц, в том числе с частотами, которые сейчас
используются для технологии Wi-Fi.

Также
ожидается применение технологии LSA
(Licensed Sharing Access),
обеспечивающей совместное использование участков лицензируемого спектра,
выделенных оператором одной или разных радиослужб. LSA обеспечит
предоставление дополнительного спектрального ресурса пользователям подвижной
широкополосной связи, если перегруппировка спектра невозможная или
нежелательная.

Дополнительные
пользователи получают разрешение задействовать спектр в соответствии с
правилами, включенными в их права на использование спектра. Это позволяет всем
уполномоченным пользователям, включая традиционных, обеспечивать определенное
качество обслуживания (QoS).

Для
обеспечения возможности использования LSA в сетях 5G будет доступна
новая функциональность — спектральный менеджер (HSM). Он позволит рассматривать только
те частотные ресурсы, которые доступны для повторного использования, и
распределит их между вторичными пользователями частотного ресурса LSA.

Потенциальные требования к некоторым приложениям 5G и возможность предоставления услуг на существующих сетях

Бпла (дроны)

Телехирургия выставляет высокие требования к задержкам и надежности связи, но есть еще одна сфера, требующая ко всему прочему и массовость подключения, — беспилотные летательные аппараты (БПЛА), или «дроны». Сегодня уже никого не удивишь легкими дронами самых разных назначений — от развлекательных до специализированных военных.

В связи с внедрением 5G в прогрессивных странах к данной теме уже сегодня обращено серьезное внимание со стороны регулирующих органов, 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. Государственно-частное партнерство 5G PPP будет предлагать решения, архитектуры, технологии и стандарты для БПЛА.

При наличии стандартов, регулирующих массовый оборот дронов, систем искусственного интеллекта, надежного, постоянного и быстрого беспроводного канала связи 5G для целого улья дронов можно открыть новые рынки и сервисы в самых разных сферах (рис. 14–19).

Дроны-курьеры, разносящие еду из магазинов или важные медикаменты в труднодоступные места; дроны-спасатели, ищущие потерявшихся в лесу или в 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.

Возможности для разработчиков

Если вас заинтересовала тема, то куда двигаться дальше?

Связи. Лично познакомиться с 5G-игроками можно будет на ближайших российских конференциях Сколково Startup Village 2022 29-30 мая, Wireless Russia Forum: 4G, 5G & Beyond 2022 30-31 мая, CEBIT Russia 2022 25-27 июня, Smart Cars & Roads 2022 24 октября.

Из академических контактов следует отметить Moscow Telecommunication Seminar проводимый в Институте Проблем Передачи Информации.

Финансирование. Ключевые игроки проводят конкурсы по использованию 5G в разных областях. В США Verizon недавно объявила конкурс «Built on 5G Challenge» на Индустрию 4.0, иммерсивные потребительские приложения (VR/AR), и прорывные идеи (меняющие наш образ жизни и работы).

Трудоустройство. Помимо сотовых операторов большой четверки, в России есть несколько компаний, планирующих использование 5G в ближайшем будущем. Бизнес-модель ведущего провайдера доставки контента в России и СНГ, компании CDNVideo – плата за объем полученного трафика.

Open Source, по видимости, будет играть ключевую роль в инфраструктуре. Американский Open Networking Foundation поддерживает 5G. Европейский OpenAirInterface Software Alliance объединяет желающих обойти проприетарные компоненты 5G инфраструктуры.

Стратегические направления включают поддержку 5G модемов и software-defined систем, гетерогенные сети и интернет вещей. O-RAN Alliance виртуализирует сети радиодоступа (Radio Access Networks). Реализация ядра сети доступно от Open5GCore.

Индустрия 4.0

Вообще выражение «Industrie 4.0» придумали в Германии для своей программы модернизации промышленности. Ассоциация

(5G Alliance for Connected Industries and Automation) со штаб-квартирой в Германии объединяет с 2022 года производственные компании, заинтересованные в использовании 5G. Наибольшие требования к латентности и надежности предъявляет контроль движения промышленных роботов, где время отклика не может превышать десятков микросекунд.

Другие применения, такие как связь между индустриальными контроллерами или с человеком-оператором, сенсорные сети, менее требовательны. Сейчас большинство таких сетей используют кабель, так что беспроводный 5G представляется экономически оправданным решением, вдобавок позволяющим быструю реконфигурацию производства.

На практике, экономическая целесообразность приведет к внедрению 5G в наиболее дорогостоящих областях, связанных с оплатой человеческого труда, например, водителей погрузчиков на фабриках и складах. Так, европейская инженерная компания Acciona продемонстрировала автономную роботележку MIR200.

Технологии дистанционного сотрудничества пойдут дальше. В этом году было продемонстрировано, как хирург-эксперт в реальном времени наблюдает за ходом онкологической операции, происходящей за многие километры от него, и показывает своим коллегам, как лучше производить операцию.

Инфраструктура c-v2x

От БПЛА перейдем к беспилотным транспортным средствам. Многие видели видеопрезентацию Tesla, в которой электромобиль под управлением искусственного интеллекта (рис. 20) движется по городу с минимальным участием водителя. Или другой пример — сервис Waymo, который позволяет при помощи мобильного приложения вызвать такси и доехать на нем до выбранной точки без водителя (рис. 21).

Оба автомобиля построены на разных принципах работы мощного искусственного интеллекта. Автомобиль принимает ситуативное решение на основе визуальной информации и данных с лидара (Waymo). «Умный» автомобиль находится в окружении «неумных», непредсказуемых автомобилей под управлением человека.

Доступен инфраструктурный подход к беспилотному вождению, закрепленный в 14-м релизе 3GPP — C-V2X. C-V2X (Cellular Vehicle-to-Everything) — это концепция передачи информации от транспортного средства любому объекту, который может повлиять на транспортное средство, и наоборот.

Данный подход позволяет транспортному средству «общаться» с другими авто (V2V), инфраструктурой (V2I), сетью LTE (V2N), электросетью (V2G), пешеходами (V2P) и даже домами (V2H). 15-й релиз 3GPP также внес возможность общения автомобиля с сетью 5G, и C-V2X стал более привлекательным благодаря сервису URLLC.

Таким образом, транспортные средства, подключенные к системе C-V2X, смогут «видеть» всю картину дорожной обстановки, «знать» о взаимном положении, препятствиях, опасных участках, а искусственный интеллект, расположенный в сети, не просто сформирует для них траекторию движения, а сделает это с учетом взаимного влияния на транспортную систему.

Международная консалтинговая компания PricewaterhouseCoopers (PwC) прогнозирует, что первые машины без водителей появятся на дорогах общего пользования уже в 2021 году, а к 2040 году весь транспорт мегаполисов по всему миру станет беспилотным. Однако первое время такой транспорт будет требовать внимания со стороны водителя при определенных ситуациях по ходу движения.

В России данный сервис уже находится на стадии НИР и прототипирования. В 2022 году российский оператор «Мегафон» в партнерстве с «КАМАЗом» провел моделирование сервиса V2X в пилотной зоне на базе беспилотного электробуса «ШАТЛ» (рис. 22).

Теперь, перечислив множество примеров, где 5G будет как нельзя кстати, рассмотрим, в каком состоянии находятся сети 5G сегодня и какие барьеры нужно преодолеть на пути к фантастическому будущему.

Потоковое видео

Участники рынка прогнозируют смещение классического приложения «видеостриминг» вправо, в сторону увеличения скоростей передачи данных без особых требований к задержкам. Главным драйвером для этого станет потребность в высококачественном 8K-видео.

Сегодня в продаже есть телевизоры с поддержкой 4K-видео, и некоторые провайдеры предоставляют видеоконтент такого качества. Но надежный доступ к такому контенту могут получить разве что пользователи, подключенные к оптоволоконному Интернету, что возможно не во всех населенных пунктах.

Потребление видеоконтента на широкоформатном телевизоре устанавливает требования к пропускной способности на скачивание. Однако 5G предлагает более высокие скорости и на выгрузку. Это откроет возможности для внедрения городских систем видеонаблюдения с интеллектуальным распознаванием лиц (рис. 6) на всех континентах.

В таких системах вся вычислительная часть с искусственным интеллектом находится в сети, от камер видеонаблюдения требуется лишь передать на сервер видео должного разрешения. В мире уже есть примеры внедрения таких систем. Правительство Шанхая (Китай) пользуется такой системой с 2022 года.

К ней подключено более 170 млн «умных» видеокамер. Для примера [2], данная система помогла обнаружить преступника в 50-тысячной толпе на пути с концерта популярного певца. На концерт он пришел вместе с супругой, и, по словам задержанного, рассчитывал затеряться в толпе.

На практике такие системы не только позволяют городу сэкономить средства на обеспечение безопасности и оперативно-розыскные мероприятия, но и порождают положительный социально-экономический эффект: жители и туристы не боятся покупать дорогие вещи, посещают публичные места в любое время дня, а бизнес не опасается за сохранность клиентов и имущество, поскольку теперь это задача города.

С появлением 5G данная система станет более эффективной и менее затратной при развертывании и обслуживании, а значит — более доступной.

Прогноз покрытия сетей 5g и «последняя миля»

Из сценариев развертывания сетей 5G и применяемых частотных полос следует логика распределения частотных полос под разные сценарии, как показано в таблице 3. Этой концепции подчиняется технология Network Slicing, определенная спецификацией 3GPP: она позволит операторам сотовой связи разворачивать изолированные друг от друга сети, каждую из которых можно будет выделять под определенные нужды (для «Интернета вещей», трансляции потокового видео и др.).

Учитывая целесообразность указанных сценариев в мегаполисах, малых городах и поселках, можно составить обобщенную схему покрытия сетями, примерно как на рис. 34. Как известно, в мире либо уже отказались от сетей 3G, либо заявили о планах на их отключение.

Поэтому на рисунке 3G изображен прерывистой линией. По планам европейских операторов, вместо медленного 3G в поселки придет быстрый LTE (сценарий #5 на рис. 29) при сохранении 2G для голосового трафика. Покрытие в пригороде будет отличаться более высокими скоростями и низкими задержками, а мегаполисы смогут похвастаться большим числом подключений и сверхскоростным Интернетом в местах покрытия частотного диапазона FR2.

Отдельно стоит сказать, что такое распределение сетей породит резкий рост рынка FWA (Fixed Wireless Access, рис. 35). Производители CPE (Customer Premises Equipment — настенное или внутридомовое телекоммуникационное оборудование, расположенное в помещении абонента, рис. 36) смогут обеспечить высокоскоростным Интернетом жителей территорий, куда высокоскоростное и надежное покрытие 5G по каким-то причинам «не дошло».

Обычно в такие места приходят провайдеры проводного и оптоволоконного Интернета. Но 5G FWA создаст серьезную угрозу этому сектору бизнеса. Ведь с 5G у FWA качество широкополосного Интернета не уступит оптоволоконному, а стоимость подключения и вовсе будет вне конкуренции, поскольку исключаются подведение оптоволокна/кабеля, монтажные работы и настройка у каждого абонента в отдельности. Установка CPE так же проста, как установка Wi-Fi роутера, и почти не требует обслуживания.

Возможно, в итоге рынок оптоволоконного/проводного Интернета сильно преобразится, найдет свое специфическое применение, но уже никогда не будет таким массовым, как сегодня. И напротив, по прогнозу экспертов SNS Telecom, к 2030 году через сервис FWA посредством 5G будет подключено 345 млн абонентов (рис. 37), а абонентских устройств CPE будет продано свыше 90 млн.

Сетевые слои 5g

Для
предоставления абоненту услуг определенного сегмента будет задействоваться сетевой
слой сети 5G, который
включает в свой состав необходимый набор виртуальных сетевых функций VNF. Один абонентский терминал
может использовать до восьми таких сетевых слоев.

Каждый
сетевой слой характеризуется информацией S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information, идентификатор
сетевого сегмента). Информация о нескольких сетевых слоях (до восьми)
группируется в свободную информацию о сетевых слоях NSSAI (Network Slice Selection
Assistance Information).

Рекомендуемые диапазоны частот для реализации различных сервисов системы 5G

Следует ли ожидать создания российского телекоммуникационного оборудования для сетей 5g?

Для начала необходимо определиться, что является отечественной промышленностью и отечественным телекоммуникационным оборудованием, в частности? Необходимы нормативные акты, в которых будут четко прописаны критерии отнесения производимой продукции к отечественной. Иначе туда попадут все мировые производители с тем или иным уровнем локализации у нас в стране.

Тем не менее, исконно российские телекоммуникационные компании есть, и они закрывают часть потребностей операторов по определенным направлениям. В частности, оборудование и программное обеспечение (ПО) транспортной сети, центры обработки данных (серверы, системы хранения данных), ПО виртуализации (NFV/SDN) и др.

Запуск и развитие сети 5G – недешевое удовольствие, в частности, в связи с использованием более высоких частотных диапазонов…

Да, базовых станций потребуется много.

Возможны различные подходы по сокращению стоимости развертывания сетей 5G.

1. Построить часть инфраструктуры за счет инфраструктурного оператора. В частности, нет смысла прокладывать кабель в метро всем операторам. Обратная сторона запуска всей инфраструктуры на базе единого инфраструктурного оператора – это отсутствие конкуренции по радиопокрытию сети. Все операторы будут обеспечивать одинаковый уровень сигнала 5G на всей территории присутствия инфраструктурного оператора. В рамках такого решения операторы мобильной связи смогут конкурировать друг с другом только предоставляемыми услугами. Также возникнут проблемы с точки зрения агрегации уже имеющегося у операторов частотного спектра со спектром, который они получат для развития сетей 5G. Поэтому, по моему мнению, инфраструктурный оператор уместен для развертывания около 40-50% сетевой инфраструктуры и в основном в низкочастотных диапазонах, где нет возможности выделить всем операторам необходимые для 5G полосы частот. Более того, данный вопрос следует решать сразу же на нескольких уровнях: профильные ведомства и организации, акционеры сотовых операторов совместно с профильными техническими специалистами исходя из технологической стратегии развития, которую определит для себя оператор.
2. Предусматривать специальные места для размещения оборудования связи при строительстве новых зданий.
3. Выстроить равноправный доступ всех операторов к внутридомовой инфраструктуре.

Где в первую очередь будут запущены сети 5G: в городах, пригородах, сельской местности или на критически важных объектах (газопроводы, нефтепроводы и т.п.)?

Однозначно в первую очередь сети 5G будут запущены в крупных городах. Это даст value (прибыль) и имидж для компаний-операторов мобильной связи. Тем не менее, очень нежелательно углублять и без того значительный цифровой разрыв между сельской и городской местностью. Доступ к информации дает возможность развития людей.

Что касается конкретных цифр и сроков, то согласно утвержденной правительством госпрограмме «Цифровая экономика Российской Федерации», в 2020 г. сети 5G должны заработать в 8 городах России, а к 2025 году во всех городах с населением от 1 млн человек.

Таким образом, с приходом сетей пятого поколения потребление трафика, по оценке ряда аналитических компаний, до 2025 г. увеличится в 20 раз.

К 2023 г., согласно прогнозу компании Ericsson, в сетях 5G будет зарегистрирован 1 млрд подключений. А услуги на базе 5G к этому времени станут доступны для 20% мирового населения.

Одно из самых ценных, что есть у оператора – это частотный ресурс. Какой он должен быть для запуска сетей 5G? Есть ли для сетей 5G волшебный источник новых частот?

В 2022 году состоится очередная всемирная конференция радиосвязи (ВКР-19), которая проходит один раз в четыре года.Наиболее вероятными для согласования являются полосы радиочастот: 24,25-27,5 ГГц, 37-43,5 ГГц.  

Диапазоны 70/80 ГГц также могут быть согласованы на ВКР-19.

Согласование полосы 31,8-33,4 ГГц для 5G на ВКР-19 практически не имеет шансов, поскольку обеспечение совместимости с действующими службами проблематично.

Что касается более низких частот, то для 5G также нет окончательно решения по диапазонам частот и ширины полосы. Так, в России большую часть диапазона 3,4-3,8 ГГц занимают военные.

Союз LTE предложил использовать для 5G не стандартный для Европейского региона диапазон частот 4,4-4,99 ГГц. Это позволит увеличить частотный спектр для развертывания сетей мобильной связи нового поколения. Тем не менее, коммерческое оборудование для этого частотного диапазона отсутствует.

Ожидается, что по итогам ВКР-19 государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) будет принято решение по частотам с учетом концепции развития 5G, которую готовит Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций в рамках национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации».

Операторы с внедрением еще и сетей 5G будут вынуждены справляться с управлением целого “зоопарка” технологий: 2G, 3G, 4G, 5G. Может быть имеет смысл отказаться от устаревших и неперспективных технологий? И какая из технологий первая на выбывание: 2G или 3G?

Первым кандидатом на выбывание вижу 3G. Технология 2G в диапазоне 900 МГц будет жить долго в связи с тем, что имеет фрагментированный спектр и там работают и будут какое-то время продолжать работать абоненты: старые терминалы и M2M-датчики.

В настоящее время все чаще затрагивается вопрос о перспективах технологии Wi-Fi в преддверии запуска сетей мобильной связи 5G. Не наступит ли закат эры технологии Wi-Fi, когда сети 5G будут обеспечивать людей высокоскоростным интернетом с низкими задержками?

Уже сейчас в большинстве случаев сети LTE обеспечивают высокие скоростные показатели. Некоторые люди уже перестают использовать Wi-Fi дома. Но это далеко не все люди. 

Для того, чтобы Wi-Fi «умер», уступив дорогу исключительно мобильным сетям, нужно, чтобы произошло несколько событий:

Таким образом, у каждой технологии своя ниша. Одна (Wi-Fi) – обеспечивает локальное покрытие, гарантируя определенные скоростные показатели абоненту. Другая – обеспечивает глобальное покрытие в почти любой точке карты мира, где бы мы не находились.

Более того, технологии могут взаимно дополнять друг друга. В частности, 3GPP специфицировал такие решения, как Wi-Fi Offloading, LWA (LTE-WLAN aggregation), LAA (Licensed Assisted Access) и eLAA (Enhanced Licensed Assisted Access).

Состояние сетей 5g в мире и в россии

Процесс внедрения сетей 5G в коммерческую эксплуатацию начался уже с 2022 года, правда, пока покрытие таких сетей весьма скромное. На начало 2020 года сети 5G запущены в эксплуатацию у 47 операторов в 22 странах мира (рис. 23), а вместе с теми, кто сейчас запланировал запуск или ведет тестирование, будет 279 операторов в 109 странах (рис. 24).

Что касается абонентского оборудования, то в продаже уже имеется множество моделей 5G-смартфонов (рис. 25), роутеров и CPE.

Первые пользователи уже оценили значительный рост скорости передачи в режиме 5G. Результаты тестов Qualcomm (май 2022 года) показывают повышение скорости скачивания у 5G-устройств по сравнению с LTE-устройствами в 3,3 раза. В будущем этот показатель будет выше за счет более плотного покрытия и перехода от ядра LTE EPC к пакетному 5G-ядру сети.

В России «большая четверка» операторов в период с августа по сентябрь 2022 года уже провела первые тесты и запуск пилотных сегментов 5G-сетей. По результатам тестов на данном этапе задержки в сети в движении вышли менее 10 мс, а скорости скачивания достигали 2 Гбит/с (рис. 26).

Согласно российской программе «Цифровая экономика» устойчивое покрытие сети 5G должно быть обеспечено к 2024 году во всех крупных городах с населением от 1 млн человек. В настоящий момент модель развития российских сетей 5G до конца не определена. Проблема, как и в прочих странах, заключается в выборе радиочастотных полос.

Операторы считают наиболее привлекательным для 5G диапазон 3,4–3,8 ГГц (n78 и n79), однако он занят другими пользователями, в основном военными и спецслужбами, и требует работы по высвобождению. Больше ясности с частотными диапазонами появится в 4-м квартале 2020 года после открытых торгов, на которых Роскомнадзор должен распределить радиочастоты в формате аукциона.

Тактильный интернет

В продолжение разговора о XR и искусственном интеллекте стоит сказать отдельно о таком производном направлении, как тактильный Интернет (ТИ). Это передача тактильных ощущений, прикосновений на любые расстояния с минимальной, практически неощутимой задержкой.

Сейчас ученые работают над созданием искусственного прикосновения путем внедрения датчиков в мягкие роботизированные структуры и наиболее чувствительных сенсорных датчиков. Такие 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 одежды (футболки, джемпера, брюки), аксессуаров (перчатки), обуви, головных уборов, экзоскелетов или специальных устройств, представлящих собой тактильные дисплеи с крошечными приводами, благодаря которым работают по­движные элементы (иглы, штырьки).

С помощью ТИ можно учить рисовать, играть на музыкальных инструментах, делать удаленные хирургические операции, то есть делать все, что требует навыков «мелкой моторики». В электронной торговле данную технологию можно применить для того, чтобы потрогать или примерить товар до его покупки.

Первые практические примеры применения ТИ в хирургии уже есть. В США проходят тесты для внедрения т. н. «телехирургии», когда хирург проводит хирургическую операцию удаленно, через сеть 5G. Телехирургия сильно отличается от классической телемедицины: речь идет не о простой видеотрансляции в режиме конференции, а о «присутствии» хирурга во время операции.

Тип pdu сессии (pdu session type)

3GPP определяет 5 возможных типов PDU сессий – IPv4, IPv6, IPv4v6, Ethernet и неструктурированный тип (Unstructured). Первые три типа сеть 5G получила в наследство от технологий предыдущих поколений (2.5G/3G/4G-LTE). Их использование предполагает назначение пользовательскому терминалу (UE)

для каждой PDU сессии соответствующего адреса (IPv4 или IPv6). Кроме этого, сеть может определить UE адреса DNS серверов, P-CSCF (для IMS сессии), MTU и GPSI (Generic Public Subscription Identifier – публичный идентификатор подписки пользователя, например, MSISDN).

Тип PDU сессии “Ethernet” не использовался сетями предыдущих поколений. Данный тип предполагает обмен Ethernet фреймами между пользовательским терминалом (UE) и сетью в соответствии с MAC адресами источника и получателя. Сеть 5G не назначает UE ни IP, ни MAC адреса, но при этом UE может иметь IP адрес либо прописанный статически, либо назначенный динамически DHCP сервером, находящемся с ним в одном broadcast домене.

Однако, данный IP адрес никоим образом не используется сетью 5GC и заголовок IP-уровня пакета пропускается сетью прозрачно. Допускается включение UE в режиме моста (bridge-а). В этом случае за UE может находится локальная сеть (LAN) с несколькими устройствами, имеющими собственные MAC адреса (эти устройства не аутентифицируются сетью 5G).

При авторизации PDU сессии DN-AAA сервер может назначить SMF для данной сессии список разрешенных MAC адресов (до 16-ти) и все ethernet фреймы, направляемые UE в восходящем канале, должны содержать в качестве адреса источника (source MAC) только разрешенные адреса. Фреймы, не удовлетворяющие данному условию, будут блокироваться.

Тип PDU сессии “Unstructured” ориентирован в первую очередь на устройства из “мира Интернета вещей”, передающие и принимающие non-IP данные. Для сессий этого типа 5GC организует тунель между UPF и сервером приложений, в который и инкапсулируются неструктурированные данные, генерируемые в рамках данной сессии.

Три сценария применения 5g

Госпредприятие
«Научно-исследовательский институт Радио» (НИИР) подготовило проект концепции
строительства в России сетей следующего, пятого поколения сотовой связи (5G). Документ (имеется в
распоряжении CNews)
описывает пути строительства сетей 5G с учетом различных сценариев применения
будущих технологий.

В
сетях 5G будет три основных сценария применения. Первый из них —
усовершенствованная подвижная сеть eMBB (Enhanced Mobile Broadband)
— представляет собой развитие технологий мобильного интернета.

Данная
технология предоставляет услуги, ориентированные на человека, и обеспечивает
доступ к мультимедийному контенту: Ultra-HD,
3D-видео, онлайн-игры,
виртуальная и дополненная реальность, расширенные сервисы социальных сетей,
облачные сервисы, музыка в реальном времени, вещание.

Другой
сценарий — крупномасштабные системы межмашинных коммуникаций (MIoT, Machine Type Communication). Данный
сценарий применим для работы большого количества подключенных устройств,
передающих относительно небольшой объем данных, не столь чувствительных к
задержкам

Он
будет применяться в энергетике, транспорте, здравоохранении, торговле,
общественной безопасности, промышленности, ЖКХ, беспилотных транспортных
системах. Для работы этого сценария необходима низкая стоимость абонентских
устройств при поддержке большой зоны охвата и продолжительного времени работы
устройства от батареи.

Третий
сценарий применения сетей 5G — сверхнадежная передача данных с малой задержкой (URLLC, Ultra-Reliableand Low Latency Communications). Данный
сценарий предъявляет высокие требования к пропускной способности, задержкам и
готовности.

Он
будет использоваться для беспроводного управления промышленными и
производственными процессами, дистанционной медицине, автоматизации
распределения энергии в умных электросетях, общественной безопасности, умных
домах и городах, интеллектуальных транспортных средствах и внедрениях
интеллектуальной дорожной инфраструктуры на базе V2X (Vehicletoeverything,
подключение автомобиля к любому объекту в сети).

Функция поддержки привязки (bsf – binding support function)

Функция поддержки привязки (BSF) обеспечивает привязку PDU сессии к конкретному экземпляру функции управления политиками (PCF). Является обязательным сетевым элементом при развертывании на сети 2-х и более узлов PCF. Таким образом, с одной стороны BSF позволяет узлам PCF регистрировать, обновлять и удалять в локальной базе данных BSF информацию привязки, с другой – предоставляет различным сетевым (NF) и прикладным (AF) функциям информацию о PCF, обслуживающим ту или иную PDU сессию.

Вторая задача, возлагаемая на BSF, и присущая конвергентным сетям – это роль Diameter proxy agent или diameter redirect agent, обеспечивающего перенаправление Diameter запросов по Rx интерфейсу (например, от P-CSCF сети IMS) на соответствующий узел PCF.

Для каждой привязанной PDU сессии BSF должен сохранять следующую информацию – DNN, адрес пользовательского терминала – (IP, либо Ethernet MAC), S-NSSAI, IPv4 адрес домена, адрес выбранного PCF и (если доступно) – идентификатор экземпляра PCF (instance ID).

PCF должен уведомлять BSF о каждом факте освобождения или изменения адреса пользовательского терминала (IP или Ethernet MAC).Для получения адреса “привязанного” PCF любой сетевой элемент (например, NEF или AF) должен использовать операцию Nbsf_Management_Discovery, указывая в качестве параметра поиска кортеж (UE address, DNN, SUPI, GPSI, S-NSSAI, IPv4 address domain) или его часть.

Для получения более подробной информации – смотрите рекомендации 3GPP TS 29.513, 3GPP TS 29.521.

Ниже показаны схемы ряда процедур с участием функции привязки.

На Рис.5 и Рис.6 показаны процедуры создания привязки PDU сессии к PCF и запроса адреса привязанного PCF со стороны сетевой (NF) или прикладной (AF) функции.

Рис.5

Рис.6

На Рис.7 показана процедура установления Rx сессии со стороны прикладной функции, используя BSF в режиме proxy агента.

Рис.7

На Рис.8 изображена процедура модификации Rx сессии со стороны PCF, используя BSF в режиме proxy агента.

Рис.8

На Рис.9 показана процедура установления Rx сессии со стороны прикладной функции, используя BSF в режиме redirect агента.

Рис.9