Массовый запуск коммерческих сетей пятого поколения уже не за горами. Во всем мире готовятся к этому событию, запуская тестовые зоны с целью понять возможности и потенциал технологии 5G. Про подготовку стандартов 5G мы уже рассказывали ранее. Теперь поговорим о вещательных проектах в сетях пятого поколения.
Напомним, что на сегодняшний день есть только отдельные стандартизированные решения, которые должны войти в состав комплексного стандарта IMT-2020, принятие которого ожидается в 2021 году.
Основное — готов стандарт на РЧ-сеть, предназначенную для реализации обмена между сотовой вышкой и клиентскими устройствами (правда, на момент подготовки материала только для работы с опорной сетью LTE (4G). Вещательный режим FeMBMS тоже позаимствован в стандарте 4G — но у него достаточный функционал, чтобы реализовать полноценное вещание в том числе и в сетях 5G. Поэтому вещатели, производители оборудования и телекоммуникационные операторы сейчас тестируют смешанные решения с элементами 5G, которые мы для краткости будем называть сетями 5G.
Первые запуски
В 2018 году тестовые испытания сетей 5G проводились практически по всему миру, применение новых технологий протестировали 72 оператора. По оценками аналитического агентства MarketsandMarkets наибольшую активность в этом отношении проявляли AT&T и Verizon (США), BT Group и Vodafone (Великобритания), China Mobile China Telecom (Китай), Deutsche Telekom (Германия), Korea Telecom (Южная Корея), Telstra (Австралия), а также Airtel (Индия) и DU (ОАЭ). Однако в коммерческую эксплуатацию сети пятого поколения запустили пока только два североамериканских оператора.
1 октября 2018 года о первом в мире коммерческом запуске сети 5G объявил Verizon. Сеть, развернутая в четырех городах США, должна обеспечить среднюю скорость 300 Мбит/с, а максимальная скорость должна составить 940 Мбит/с. Это почти втрое выше скоростей, достижимых с LTE, но меньше потенциальных возможностей стандарта. Пока что компании приходится привлекать клиентов заманчивыми стартовыми условиями — оператор бесплатно предоставляет доступ к Интернету на три месяца, 5G-модем и его установку, три месяца подписки на Youtube TV, а также приставку Google Chromecast Ultra или Apple TV 4K для воспроизведения на телевизоре принимаемого через сеть видео.
Таким образом оператор ориентирует услугу на стационарный прием, делая ставку на возможность доставки через новую сеть видео в формате 4К. Правда, по прошествии трех месяцев абонентская плата за этот набор услуг будет составлять $50 для абонентов Verizon и $70 для новых абонентов. Судя по тому, что оператор пока не готов раскрывать количество подписчиков новой услуги, ажиотажного спроса на нее не наблюдается.
18 декабря 2018 года, прямо перед рождественскими праздниками, состоялся коммерческий запуск сети AT&T, обслуживающей сейчас 12 городов. В отличие от Verison, AT&T ориентирует свою сеть на мобильное использование, но так как мобильных телефонов 5G пока нет, абонентам предлагается приобрести мобильную точку доступа с поддержкой 5G стоимостью $500.
Прогнозы
По прогнозу аналитического отдела компании Deloitte массовое появление смартфонов и других приемных устройств, работающих в стандарте 5G, можно ожидать, начиная со второго квартала 2019 года. Вскоре после этого начнутся и массовые запуски коммерческих сетей, хотя и на ограниченных территориях. К концу 2019 года число операторов, запустивших коммерческие сети, по ожиданию Deloitte, увеличится до 25, а еще через год их будет уже 51.
На самом деле вопрос о том, какой спектр задач сети 5G будут решать в B2C-секторе, не имеет однозначного ответа. В сфере IoT и межмашинного взаимодействия важными достоинствами нового стандарта окажутся минимальные задержки, очень высокая надежность соединений и поддержка сложных сетевых топологий, но для бытового применения эти достоинства не очень актуальны.
По ожиданиям Deloitte, интерес к 5G в бытовом секторе появится по трем причинам. Во-первых, 5G сделает смартфоны и другие персональные устройства полностью мобильными, исключив необходимость подключения к другим сетям для выхода в Интернет. Во-вторых, 5G может использоваться для подключения к Интернету других портативных устройств через 5G-модемы или Wi-Fi-маршрутизаторы. В-третьих, по прогнозу компании, распространение получат устройства фиксированного беспроводного доступа в стандарте 5G (FWA) с антеннами, размещенными на зданиях или в окнах. Они могут заменить проводные ШПД-соединения для организаций и конечных пользователей.
В то же время Deloitte отмечает и факторы, которые будут тормозить распространение 5G. Во-первых, чипсеты с поддержкой 5G будут конструктивно существенно отличаться от предшественников и потому будут заметно дороже. Еще более сложной окажется конструкция приемо-передающих антенн стандарта 5G. Основная проблема в оценке Deloitte заключается в большом разносе частот, на которых могут работать сети 5G. Это и диапазон ниже 6 ГГц, для которого нужны одноэлементные всенаправленные антенны, и частоты около 28 ГГц, требующие узконаправленных антенн с высоким коэффициентом усиления. От себя добавим, что сети 5G могут иметь очень сложную топологию, которая требует антенных систем MIMO, причем антенны должны будут адаптивно формировать многослойные лучи. В сотовых телефонах, возможно, такие архитектуры использоваться не будут, по крайней мере на первом этапе, но и базового усложнения технологий будет достаточно, чтобы стоимость всех компонентов смартфона с 5G в 2019 году оказалась на $40—50 выше, чем сопоставимого по параметрам смартфона стандарта 4G.
К тому же количество 5G-сетей и покрытая ими территория будут очень ограниченными.
Единственным положительным фактором, который отметил Deloitte, является низкий расход аккумулятора в будущих смартфонах, как минимум не превышающий расход в моделях с 4G. Однако одного этого достоинства явно недостаточно для появления массового спроса на смартфоны с 5G.
На первом этапе Deloitte в большей мере ожидает спрос на мобильные точки доступа, принимающие 5G и раздающие данные по Wi-Fi. Они дешевле и крупнее, то есть в них могут использоваться более крупные компоненты, которые уже появились на рынке. Спрос на мобильные точки доступа Deloitte прогнозирует в основном из-за интереса к аналогичным устройствам стандарта 4G на заре этой технологии.
Шведская компания Ericsson тоже не ожидает быстрого распространения 5G в B2C-секторе. По ее оценкам, в 2023 году сетями 5G будут пользоваться только 20% абонентов. В США этот показатель достигнет 50%, что будет отчасти связано с резким ростом трафика — он, по ожиданиям Ericsson, будет ежегодно увеличиваться на 40%.
Прогноз аналитической компании Juniper Research выглядит более оптимистичным. По ее оценкам, рынок услуг 5G в 2019 году составит $894 млн, а затем будет стремительно расти и к 2025 году достигнет $300 млрд. Причем ожидается что основным фактором роста станут домашние широкополосные подключения.
Что касается Deloitte, то он предвидит рост домашних подключения через 5G в основном там, где сейчас для этого используются сети 4G. Соответственно, то, насколько массовым будет такое применение, зависит от процента домохозяйств, подключенных через мобильный Интернет. В России в конце 2017 год он составлял 16% (см. рис. 1).
Для мобильных подключений домохозяйств преимущества 5G очевидны. Можно также представить категорию пользователей, для которых важна независимость от Wi-Fi. Возможно, 5G может оказаться привлекательным для квартир, подключенных через не самые скоростные версии DOCSIS, но для России это практически неактуально. Но что на практике могут выиграть домохозяйства, подключенные через системы PON или даже через качественную витую пару, непонятно.
Вещание в сетях 5G
Из B2C-приложений, которые могут потребовать скоростей, реально достижимых в сетях 5G, в первую очередь, конечно, упоминается видео с высоким разрешением 4К или панорамное видео. Неслучайно Verison в продвижении своей сети делает ставку именно на UHD.
Отношение самих вещателей к 5G неоднозначное. С одной стороны, руководители Европейского вещательного союза (EBU) неоднократно выражали сомнение в целесообразности отказа от DVB-сетей в пользу 5G. Этот вопрос был подробно рассмотрен в материале «Вещание в сетях 4G/5G», упомянутом выше. С другой стороны, EBU активно участвует в исследованиях и разработках в рамках 3GPP, с тем чтобы в стандарте были учтены требования вещателей.
EBU выработал ряд требований. Одно из них — возможность бесплатной доставки линейных ТВ-услуг на смартфоны и планшеты без необходимости установки SIM-карты. Еще одним важным требованием была возможность автономной работы сети eMBMS с использованием всей несущей для передачи видеоуслуг. Весь спектр требований отображен на рис. 2.
Эти требования были учтены в 14-м релизе 3GPP, вышедшем в 2017 году. В результате появился стандарт Further evolved Multimedia Broadcast and Multicast Services. Он обеспечивает поддержку большего по сравнению с eMBMS расстояния между станциями (циклический префикс 200 μs), смешанную MBMS/одноадресную передачу, возможность полной загрузки несущей MBMS-трафиком, новый тип подкадров, наличие однонаправленного режима (только на прием) и возможность бесплатной передачи (без применения SIM-карты). Два последних режима делают процедуру загрузки телеканалов в сети 5G и традиционные вещательные сети максимально похожими в управлении процессом со стороны вещателей. Они также создают условия для появления телевизоров с 5G-тюнером.
eMBMS и FeMBMS тестировались в многочисленных зонах, развернутых европейскими вещателями. Цель этих тестов — оценить возможности стандарта для решения разных задач, выявить недочеты и наметить пути улучшения.
Тестовые зоны вещания в 5G
Рассмотрим тестовые зоны, которые полностью или частично развернуты для проверки возможностей доставки медиа через сети 5G. Они запускаются по инициативе EBU, исследовательских институтов, крупных общественных телекомпаний, таких как BBC, RAI и TDF, при активном участии разработчиков оборудования и телекоммуникационных операторов. Описание всего спектра задач, которые призваны решить тестовые зоны, дает представление о сложности подготовки всей инфраструктуры.
В том же 2017 году в Великобритании был запущен проект 5G RuralFirst. Как понятно из названия, он развернут для оценки возможностей применения 5G в сельской местности. Одна из задач проекта реализуется вместе с BBC — отработка новых методов радиовещания чрез 5G. Тесты ведутся для передачи как традиционного аудио, так и NGA. Кроме этого, тестируются приложения для умного фермерства, включающие применение дронов, автономных транспортных средств и дистанционный ветеринарный контроль.
В Германии работают одновременно несколько проектов. Более ранний — IMB5 — был развернут в Мюнхене для определения возможностей и ограничений действующей сети LTE eMBMS для общенационального покрытия вещанием. В рамках проекта отрабатывалась оптимальная системная архитектура такой сети и определялись пункты, требующие доработки, в готовящейся на тот момент спецификации FeMBMS.
На прикладном уровне проект показал, что с помощью LTE eMBMS можно передавать гибкий набор услуг, включающий одноадресный широкополосный доступ и линейное ТВ. Еще одним результатом проекта стала успешная демонстрация сосуществования LTE eMBMS со смежным по спектру цифровым эфирным телевидением.
В рамках более позднего проекта 5G Today, запущенного в Баварии летом 2017 года, сформирована тестовая зона, работающая уже в стандарте FeMBMS. В качестве главных задач проекта заявлено создание передатчика и приемника формата FeMBMS, а также тестирование разных параметров сетей, антенн разного дизайна и разнообразных моделей распространения. Оборудование уже создано и работает, а сейчас ведутся проверки расчетных зон покрытия.
Как минимум три европейских проекта были развернуты для проверки концепции Tower Overlay, предложенной профессором Реймером из Брауншвейгского университета. Идея Tower Overlay состоит в конвергенции экосистемы LTE и с традиционной вещательной инфраструктурой. Адаптация LTE Broadcast к традиционным вещательным вышкам создает условия для совместной работы сотовых и вещательных сетей, снижая сетевую нагрузку и энергопотребление при быстром росте загрузки мобильных сетей передачей вещательных данных.
Tower Overlay также предусматривает возможность временного разделения ресурсов радиоканала между LTE A+ и сигналом DVB-T2. В то же время Tower Overlay открывает возможность охвата вещательными услугами всех мобильных устройств без добавления в них DVB-приемника.
Более подробно концепция Tower Overlay изложена в материале «Вещание в сетях 4G/5G».
Для демонстрации преимуществ этой концепции во Франкфурте запущен проект Tower Overlay improving mobile network. Он работает на базе смешанной архитектуры, включающей не только стандартные сотовые вышки, но также и высокую вышку с мощным приемопередатчиком и гораздо более широкой зоной покрытия. В этом проекте трансляции с высокой вышки ведутся только в стандарте LTE Broadcast (LTE-B) и принимаются теми же LTE устройствами, что и сигналы с остальных вышек.
В рамках демонстрации симулировалась сеть, где каждый пользователь мог получать данные с применением одноадресной передачи, в вещательном режиме LTE или с большой вышки. Проигрывался сценарий, при котором постепенно росло количество запросов на получение видеоуслуги. Первые пользователи получали ее по юникаст-протоколу, по мере их роста сеть переходила на вещательную доставку, что давало некоторое снижение нагрузки на сотовую сеть. Когда пользователей становилось совсем много, то активировалась передача с высокой вышки, и это давало резкое снижение нагрузки на всю сеть. После симуляции сценарий был частично повторен в полевых условиях.
Концепция Tower Overlay проверялась также во Франции и в Италии.
В итальянской тестовой зоне с большой вышки передается не только LTE-B, но и DVB-T2. В этой зоне сделан акцент на отработке алгоритма переключения между режимами Unicast/eMBMS/TOoL+ и распределения нагрузки по сети в целом. Кроме того, в Италии проверяются характеристики сигналов, принимаемых тестовым приемником на разных этапах его декодирования. Это позволяет оценивать эффективность заложенных в приемнике алгоритмов декодирования.
В Италии есть и крупная тестовая зона вещания только через 4G/LTE, но развернутая на территории, плотно охваченной DTT-вещанием. Ее цель — проверить возможность и, главное, целесообразность вещания через 4G/5G на такой территории.
Во Франции в 2015 году были проведены полевые испытания совместного вещания LTE-Advanced+ (LTE-A+) и традиционного вещания мощных телевизионных передатчиков в Париже и Аосте. LTE-A+ — это экспериментальное расширение LTE-Advanced eMBMS, включившее многие дополнения, позже закрепленные в FeMBMS.
В Париже использовался один передатчик на Эйфелевой башне, работающий на экспериментальной частоте в полосе 700 MHz. Поток LTE A+ для мобильных устройств включал широкий спектр цифрового медиаконтента (линейное ТВ, видео по запросу, отложенный просмотр, живое радио, подкасты, журналы, газеты, обновления ПО), который принимался в мобильном устройстве и хранился там до тех пор, пока пользователь его не просмотрит. Эта программа позволила оценить не только эффект от переноса нагрузки на большую вышку, но также понять, как меняется эффективность загрузки сети в зависимости от процентного соотношения линейных и нелинейных услуг. Иногда на той же частоте включался поток DVB-T2, передававший традиционные цифровые программы HDTV, которые можно было получать на стандартные телевизоры DVB-T2.
В небольшой Финляндии, во многом благодаря активности Nokia, развернуты три тестовые зоны.
Самый масштабный финский проект получил название Wireless for Verticals (WIVE). Одна из его задач — отработка приложений IoT и межмашинного взаимодействия. Предполагается, что тестовая программа, реализуемая в этой зоне, повысит конкурентоспособность автоматизированного транспорта, позволит отработать создание интеллектуальных сетей и массовых межмашинных связей.
Вторая задача WIVE — тестирование передачи ТВ- и радиоконтента через 5G. В ее рамках исследуется производительность основных элементов сети, которая требуется для реализации общенационального покрытия. В частности, отлаживается работа SFN-сети, ищется оптимальный компромисс между устойчивостью и пропускной способностью сигнала с разным параметрами модуляции и помехоустойчивого кодирования, а также тестируются схемы управления мобильностью для бесшовного перехода из ячейки в ячейку.
В проекте отрабатывается еще несколько функций. Во-первых, прием сообщений в режиме без SIM-карт. Во-вторых, отработка разбивки информации между базовыми станциями, обслуживающими зону трансляции. В-третьих, отработка принудительного контроля пользовательского терминала для приема контента.
В рамках проекта также отлаживаются приложения государственной значимости. В первую очередь, информирование населения о чрезвычайных ситуациях в режиме многоадресной передачи и с применением мультимедийных форматов.
Проект WIVE дополняют еще два. Один из них, 5GTN+ Project, организован для отработки разных приложений, которые могут использовать сети 5G. Основной акцент в проекте сделан на приложениях для теле- и радиопроизводства и доставки контента на eMBMS-терминалы конечных пользователей через сети 5G. Второй проект, 5G eMBMS Demo, создан с целью продвижения и популяризации услуг типа вещания в сети 5G.
Его задача показать, что один и тот же контент может одинаково качественно доставляться и на телевизоры, и на портативные устройства с помощью единой сети 5G. Это сейчас и демонстрируется тестовой группе пользователей. С точки зрения пользователей ничего принципиально нового в такой услуге нет, но, может быть, в сети получится продемонстрировать более высокое качество приема на портативные устройства.
В Норвегии тестируется актуальность использования 4G/5G для доставки телевидения в сельской местности. Для этого создана специальная сеть LTE-B, обслуживающая 0,26% домохозяйств, находящихся вне зоны спутникового или эфирного приема. Сейчас для покрытия этих территорий требуется 552 маленьких цифровых эфирных передатчика. В результате их охват в пересчете на одно домохозяйство оказывается в 240 раз дороже остальных 99,74% домохозяйств, а LTE-сеть обойдется в три раза дешевле. Сейчас сеть тестируется на предмет набора функций, который она способна выполнять. Результаты этого тестирования могут оказаться интересными и для России.
И последний крупный проект, заслуживающий упоминания, запущен самим консорциумом 3GPP.
Этот проект, получивший название 5G-XCast, создан для тестирования возможностей многоадресной передачи и разработки средства связи «точка-многоточка» для передачи медиа по сети 5G. В рамках проекта отрабатывается концептуально новая сетевая архитектура 5G, предназначенная для крупномасштабной передачи иммерсивного медиа. Проект сфокусирован на отработке функции вещания и многоадресной передачи в системах 5G как основного элемента системы и как дополнения к одноадресной передаче. В рамках 5G-Xcast также отрабатываются технологии для координации медиатрафика в сетях трех типов: стационарных 5G, мобильных 5G и DTT. Они должны обеспечить пользователям оптимизированное и бесшовное потребление медиа.
Как можно видеть, потенциал сетей 5G для передачи медиа тестируется с самых разных сторон, поэтому можно рассчитать, что к моменту массового старта коммерческих сетей 5G у рынка будет понимание не только технических особенностей стандарта, но также его возможностей и ограничений в плане передачи медиа.
