👨🏽‍🎤 🙄 🕥 Por qué y cómo 5G lo cambiará todo: tecnología, implementación por fases y base de elementos para el equipo del suscriptor 🤙🏼 🛄 🖐🏼

5G no es solo un nuevo estándar para las comunicaciones móviles, la introducción de redes de quinta generación a largo plazo transformará nuestra percepción del mundo y conducirá a la transformación social de la sociedad. Al mismo tiempo, la economía de las redes cambiará: la velocidad de transmisión promedio aumentará en 40 veces, y el costo de entrega, por el contrario, disminuirá en 30 veces. Para 2024, según los analistas, hasta el 30% del tráfico móvil pasará a través de dispositivos con soporte 5G. La tecnología 5G representará el 15% del sector de telefonía móvil mundial para 2025 (pronóstico de GSMA, www.gsma.com ); en Europa y China, esta cifra será del 30% y en los EE. UU. del 50%.

Este artículo intentará revelar la aplicabilidad de las comunicaciones móviles de quinta generación (en adelante, 5G) en nuestro futuro, no muy lejano. El material del artículo, sin pretender ser la naturaleza académica de la historia, le dirá para qué es interesante 5G y cómo los desarrolladores de equipos de usuario (User Equipment o UE) pueden comenzar a formar el mercado de dispositivos 5G en la actualidad. El acceso del UE a las redes 5G se puede lograr a través de módulos celulares apropiados; Al final del artículo, consideramos brevemente el rango de nomenclatura de las soluciones inalámbricas SIMCom de módulos 5G , sus características principales y la diferencia entre ellas.

Longrid

Puntos de referencia y tecnología clave de 5G

5G (de la quinta generación inglesa - quinta generación): una generación de comunicaciones móviles que funciona de acuerdo con los estándares de telecomunicaciones que siguen la tecnología existente LTE (4G).

El consorcio 3GPP comenzó a formular la especificación 5G-NR (NR - New Radio, tecnología de acceso de radio para redes móviles de quinta generación) en 2015. Luego se anunciaron los planes para la preparación de las especificaciones. De acuerdo con estos planes, la primera fase de las especificaciones debía completarse antes de la segunda mitad de 2018 (como parte del lanzamiento de 15 3GPP), y la segunda fase, en diciembre de 2019 (como parte del lanzamiento de 16 3GPP). Por el momento, la primera fase se completa con un retraso de un año, y la segunda se traslada al tercer trimestre de 2020.

Plan de lanzamiento de la especificación 3GPP (fuente: https://www.3gpp.org )

Los estándares y especificaciones de 3GPP fueron creados por los participantes del mercado y tienen en cuenta una variedad de tareas comerciales, cada una de las cuales, por supuesto, tiene sus propios requisitos específicos. Entonces, la recomendación 3GPP TR 38.913 identificó los siguientes indicadores clave de las redes de nueva generación:

Velocidad de datos pico de enlace descendente (enlace descendente) 20 Gbit / s (eficiencia espectral 30 bit / s / Hz);
Velocidad máxima de datos de enlace ascendente (enlace ascendente) 10 Gb / s (eficiencia espectral 15 bit / s / Hz);
el retraso mínimo en el subsistema de acceso de radio para servicios URLLC es de 0,5 ms, para servicios eMBB - 4 ms;
la densidad máxima de dispositivos del mundo IoT conectados a la red en condiciones urbanas es de 1'000'000 dispositivos / km2;
Operación autónoma de dispositivos del mundo de IoT sin recargar la batería durante 10 años;
Soporte de movilidad a una velocidad máxima de movimiento de objetos de 500 km / h.

Y ahora, brevemente, sobre algunas tecnologías a través de las cuales es posible la implementación real de redes de quinta generación.

Frecuencia y ancho de banda

La especificación 3GPP TS 38.211 V1.2.0 (2017-11) definió nuevas bandas de radiofrecuencia para 5G (ver tabla 1) y las dividió en dos bloques de frecuencia: FR1 (frecuencias de hasta 6 GHz o sub6G) y FR2 (frecuencias superiores a 6 GHz o mmWave) . Trabajar en rangos de frecuencia más altos le permite eliminar diversas interferencias en la red que distorsionan la transmisión de datos. Además, una frecuencia más alta, un mayor ancho de banda y el ancho de banda del canal dependen directamente de él. Entonces, para el bloque FR1, dependiendo del SCS (Espaciado de subportadora, variante de la separación de frecuencias de radio de las subportadoras) utilizado, el ancho de un canal de radio está permitido hasta 100 MHz, para el bloque FR2, ¡de 50 a 400 MHz! A diferencia de las redes LTE, que permiten canales con un ancho de solo 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz. Y si combina el ancho del canal con la agregación de frecuencia (CA), entonces para una conexión puede lograr un espectro de 2 GHz o más.

*Rangos de frecuencia para redes 5G*
Unidad de radiofrecuencia	Rango de frecuencia de radio
FR1	450 MHz - 6 000 MHz
FR2	24'250 MHz - 52'600 MHz

Massive MIMO y Beam Forming

La formación de haces con antenas MIMO no es un concepto nuevo y ya existe en el mercado celular como AAS (Sistema de antena activa, sistema de antena activa). La antena AAS MIMO montada en la torre le permite dividir el área de cobertura en celdas estáticas, lo que aumenta la eficiencia del uso del espectro y, por lo tanto, aumenta el número de canales. Pero las redes congestionadas modernas necesitan una conformación de haz digital dinámica para maximizar la eficiencia del espectro.

Antena MIMO 2D (izquierda) y antena MIMO masiva (derecha)

La aplicación del concepto de antenas MIMO en el rango milimétrico de FR2 se vuelve aún más interesante ya que Las ondas de radio de onda milimétrica tienen buena directividad debido al aumento en el número de elementos de antena por antena. Una matriz de tales elementos de antena (256 o más) se puede combinar en uno llamado. Antena masiva MIMO. Al controlar la fase y la amplitud de las señales, dicha antena es capaz de generar dinámicamente muchos rayos fuertes y agudos en las direcciones de usuarios específicos. Entonces, con Massive MIMO obtenemos:

potente señal de salida hacia el UE;
señal fuerte al nivel de ruido del UE;
falta de interferencia intercelular;
Un aumento significativo en el número de canales de comunicación por celda.

Por lo tanto, la tecnología MIMO adquiere diferentes significados en los rangos sub6G y mmWave como se muestra en la siguiente tabla:

*MIMO en las bandas sub6G y mmWave*
	Sub6G	mmWave
MIMO	88	22

	, . , .	. .

SRS (Sounding Reference Signal, )

La tecnología, conocida desde la versión 14 de 3GPP, es una adición importante a Beamforming. Permite a la estación base aprender sobre la calidad del canal a través de un paquete especial enviado desde el UE. Por lo general, la mayoría de los UE solo pueden soportar el envío de SRS a través de su antena de transmisión primaria. Por lo tanto, la estación base puede recibir información del canal solo para esta antena. Sin embargo, utilizando la tecnología de selección de una antena de transmisión, puede obtener información completa sobre los canales de todas las antenas del UE. Por lo tanto, la estación base puede generar el haz en la dirección del UE de la mejor manera. Como resultado, el rendimiento del UE aumentará significativamente, especialmente en puntos en las distancias lejanas y medias de la estación base (hasta + 40%).

Red Slicing o Network Slicing

De acuerdo con la lógica de este concepto, los operadores móviles podrán desplegar redes aisladas entre sí, a cada una de las cuales se les puede asignar / asignar un conjunto de indicadores clave, para Internet de las cosas, cobertura amplia, transporte urbano, una banda ancha y baja respuesta. El trabajo de esta tecnología será posible cuando se cambie al núcleo de una red de nueva generación.

Escenarios y ejemplos de la provisión de servicios móviles en redes 5G

Si observa, algunos de los indicadores enumerados anteriormente, como, por ejemplo, la velocidad máxima de transferencia de datos y la autonomía, son simplemente incompatibles e incluso mutuamente excluyentes. Pero todos estos indicadores a la vez no deben ser realizados por un dispositivo a la vez o, en principio, deben ser compatibles con toda la lista. La idea es distinguir entre diferentes tipos de escenarios para la provisión de servicios móviles, dependiendo del grado de importancia (alto, medio, bajo) de un indicador particular. En el concepto de segmentación de red, la arquitectura física 5G se dividirá en muchas redes o capas virtuales, cada una de las cuales está diseñada para su propio caso de uso. Cada uno de los escenarios satisfará uno u otro conjunto de indicadores previamente indicados y, en consecuencia, está dirigido a su propio segmento de mercado.
La especificación define solo tres escenarios:

eMBB (enhanced Mobile Broadband), ;
URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication), ;
mMTC (Massive Machine-Type Communications), .

NB-IoT eMTC mMTC

El mMTC es un escenario de interacción entre máquinas, cuando la participación humana es mínima y todos los procesos están automatizados. Los dispositivos MMTC incluyen: medidores de agua, gas, electricidad; controladores de alumbrado público; sensores de espacio de estacionamiento; Marcadores GPS / GLONASS; varios sensores de humo / fuego; sensores de piratería; Botes de basura "inteligentes" y otros dispositivos IoT. Como puede ver, las latencias de alta velocidad y ultrabajas no son importantes aquí, pero la autonomía y una gran cantidad de conexiones de red son muy importantes. Este es el llamado Dispositivos LPWA (área amplia de baja potencia): dispositivos masivos, simples y económicos con un consumo ultra bajo, capaces de funcionar con una sola batería durante hasta 10 años.

Las normas y especificaciones para redes LPWA se establecieron en las versiones 13 (Cat.NB1 y Cat.M1) y 14 (Cat.NB2 y Cat.M2) 3GPP y actualmente redes NB-IoT (también conocidas como LTE Cat.NB1 / NB2) y eMTC (LTE Cat.M1 / M2) ya están en uso comercial. Las redes para tales dispositivos se caracterizan por bajas velocidades de transmisión (hasta 150 kbit / s en LTE Cat.NB2 y hasta 1 Mbps en LTE Cat.M1), cobertura amplia y "profunda". Cabe señalar que el encanto de NB-IoT y eMTC es que el despliegue de redes por parte de operadores móviles no requiere grandes inversiones y la asignación de bandas de frecuencia separadas: estas redes LPWA pueden funcionar en bandas de frecuencia existentes y en equipos de red existentes, mientras que uno básico la estación puede servir a un territorio más grande en comparación con las redes 2G, 3G o LTE existentes.

Puede leer sobre cómo acceder a las redes NB-IoT utilizando los módulos celulares de SIMCom Wireless Solutions en nuestros artículos.

5G para URLLC y eMBB

Formalmente, las redes NB-IoT y eMTC pueden atribuirse a las redes de la 5ta generación, pero en este artículo, hablando de 5G, hablaremos sobre tecnología de alta velocidad. Por lo tanto, los escenarios URRLC (se incluirán en 3GPP versión 16) y eMBB (ya definidos en 3GPP versión 15) están en el área de responsabilidad 5G. El script URRLC, por su nombre, significa comunicaciones ultra confiables con baja latencia. Y eMBB es de banda ultra ancha, lo que significa comunicaciones de alta velocidad.

Parece que la velocidad y el tiempo de retraso en las redes LTE existentes satisfacen a la mayoría de los usuarios modernos. ¿Por qué es un consumidor de 5G y para qué sirve?

Miremos el infograma en la Figura 4, refleja el alcance de los servicios dependiendo de los requisitos de ancho de banda y los retrasos. En la parte clara, vemos áreas modernas de aplicación que se han convertido en cotidianas para nosotros, como: juegos en línea, visualización y descarga de videos, telemetría remota, monitoreo de objetos, sensores, etc. Todas estas aplicaciones tienen contenido con un canal de hasta 100 Mbit / sy retrasos de más de 10 ms.

Aplicaciones según los requisitos de ancho de banda y los retrasos en la red móvil

Y ahora prestemos atención a la parte azul del infograma: esta es el área que se abre con 5G. Se puede ver que, en general, 5G puede mejorar las aplicaciones existentes y generar nuevas. Consideremos algunas de las aplicaciones más interesantes por separado. Nos ayudarán a comprender lo importante que es para nosotros implementar realmente redes 5G. Comencemos con lo simple: transmisión de video.

Vídeo transmitido en vivo

Los participantes del mercado pronostican el giro de una aplicación tan clásica como la "transmisión de video" a la derecha, hacia el aumento de las velocidades de transferencia de datos sin ningún requisito especial de demoras. El principal impulsor de esto será la necesidad de video 8K de alta calidad.

Hoy en día, hay televisores con soporte para video 4K y algunos proveedores ofrecen contenido de video de esta calidad. Pero el acceso confiable a dicho contenido solo se puede obtener si están conectados a Internet de fibra óptica, cuyo acceso no está disponible en todos los asentamientos. Con el advenimiento de 5G 4K e incluso 8K, el video se convertirá en la norma para todos los residentes de la ciudad y los suburbios, y en el campo de la producción de películas / fotos, se prestará aún más atención a la calidad como los detalles.

Requisitos de ancho de banda de red para varios formatos de video

El consumo de contenido de video en un televisor de pantalla panorámica establece los requisitos de ancho de banda para la descarga. Sin embargo, 5G abre velocidades más altas para la descarga. Esto abrirá la puerta a la implementación de sistemas de videovigilancia urbana con reconocimiento inteligente de rostros en todos los continentes. En tales sistemas, toda la parte informática con inteligencia artificial se encuentra en la red, todo lo que se requiere de las cámaras de vigilancia es poder transmitir video de la resolución adecuada al servidor. En el mundo hay ejemplos de la introducción de tales sistemas.

El gobierno de Shanghai (China) ha estado utilizando dicho sistema desde 2015. Más de 170 millones de cámaras de video "inteligentes" están conectadas a él. Por ejemplo [2], este sistema ayudó a encontrar un criminal en la 50 mil personas en el camino de un concierto de un cantante popular. Llegó al concierto con su esposa y, según el detenido, esperaba perderse entre la multitud.

En la práctica, estos sistemas le brindan a la ciudad no solo ahorros de costos en medidas de seguridad y búsqueda operativa, sino que también generan un efecto socioeconómico positivo: los ciudadanos y los turistas no tienen miedo de comprar cosas caras, visitar lugares públicos en cualquier momento del día y las empresas no temen seguridad y propiedad del cliente, ahora es tarea de la ciudad.

Con el advenimiento de 5G, este sistema solo se volvió más eficiente y menos costoso de implementar y mantener, y por lo tanto más asequible.

El trabajo de un sistema inteligente de reconocimiento facial mediante la transmisión de video desde cámaras de calle

Oficina del cielo

En las primeras etapas del despliegue comercial de 5G, con la excepción de los teléfonos inteligentes, se espera que la computadora portátil con conexión Sky Office sea el producto clave de 5G. Sky Office es un concepto de transferir la potencia de la computadora portátil a la nube cuando se equipa una computadora portátil con un módem 5G integrado. Por lo tanto, en la nube se pueden colocar no solo archivos de usuario (Cloud Drive), sino también software, como MS Office 365 (Cloud Office) o productos de software de juegos (Cloud Games). En este concepto, una computadora portátil se convierte, simplemente, en una pantalla con un teclado y una cámara.

Concepto de oficina del cielo

Si las redes celulares proporcionan un retraso de unos pocos milisegundos y proporcionan un canal de comunicación confiable y dedicado de forma ilimitada (Network Slice), trabajar con Sky Office en el futuro puede convertirse en una forma popular de usar una computadora portátil. Al mismo tiempo, el consumidor recibirá una serie de cualidades interesantes para el consumidor inalcanzables con las computadoras portátiles comunes:

bajo consumo a nivel de tableta con una duración de batería de 14 horas o más;
"Siempre listo", el portátil no pierde el tiempo descargando software, ya funciona, en la nube;
"Listo en todas partes", la pérdida de una computadora portátil ya no significa la pérdida de datos y licencias;
cuerpo delgado y liviano, la composición y estructura de la computadora portátil se simplifica, y esto lleva a una reducción en tamaño y peso;
enfriamiento pasivo, la computadora portátil ya no realiza cómputos intensivos en energía y se calienta ligeramente;
La comunicación es más segura que el wifi porque 5G es casi imposible de descifrar, el canal de comunicación está protegido por los últimos algoritmos de cifrado.

Por supuesto, traducir el concepto de Sky Office a la realidad requiere construir un ecosistema completo con la participación de jugadores de varias industrias, tales como: fabricantes de sistemas operativos y software, fabricantes de computadoras portátiles, operadores móviles, proveedores de servicios en la nube, fabricantes de conjuntos de chips, fabricantes de eSIM y módulos 5G. Pero a pesar de la complejidad de la implementación, en el futuro cercano se espera que Sky Office tenga un rápido crecimiento en China y en muchos otros países.

Realidad virtual y aumentada

La industria del entretenimiento siempre ha sido una locomotora en el desarrollo de la electrónica de consumo. Los requisitos de rendimiento más altos provienen de los consumidores de consolas de juegos. Las tecnologías más avanzadas pero menos comunes en el mundo de los juegos son la realidad virtual (VR) y la realidad aumentada (AR).

Las conocidas empresas Sony y Microsoft han estado ofreciendo accesorios de realidad virtual y juegos 3D relacionados durante varios años.

VR de Sony PlayStation, fuente: www.playstation.com

VR de Microsoft, fuente: www.microsoft.com

Gradualmente, la realidad virtual y la realidad virtual irán más allá del marco de la industria del juego y se extenderán inevitablemente a la educación, la medicina, la industria: es difícil sobreestimar el potencial. Las Figuras 10-13 muestran algunos ejemplos del uso de AR de los materiales de presentación de Microsoft Hololens 2. El siguiente paso en esta industria será la combinación de AR y VR con 5G. Técnicamente, esto ya es factible gracias al nuevo chipset Qualcomm Snapdragon XR2, que combina un módem 5G y un procesador XR especializado (de VR + AR) con soporte para inteligencia artificial, que responde a las expresiones faciales del piloto.

Está claro que con 5G solo se obtendrán juegos en línea. Con la transferencia de potencia informática a la nube (Cloud Gaming), las consolas de juegos estarán menos ocupadas, este video se volverá más suave, más detallado y más dinámico. Una vez superada la barrera tecnológica con 5G, el mercado de juegos AR / VR se volverá más popular. Muchos descubrirán viajes virtuales a otras ciudades, inmersiones al fondo del océano e incluso vuelos al espacio. Es un hecho bien conocido que la percepción del mundo de una persona depende en gran medida de lo que ve, con XR + 5G los horizontes del laico promedio se expandirán significativamente, cambiarán los enfoques de la sociedad para estudiar el mundo y las actividades constructivas en todas las áreas.

Los estudiantes estudian la estructura de los microorganismos. Un

trabajador médico analiza los resultados de la resonancia magnética.

Un ingeniero realiza el ajuste del equipo.

Trabajador de fábrica ensamblando motor

Continuando con el tema de XR y la inteligencia artificial, debo decir por separado sobre la dirección derivada, como Internet táctil. Internet táctil (en lo sucesivo, TI): la transferencia de sensaciones táctiles, toca a cualquier distancia con un retraso mínimo, casi imperceptible. El nombre de la tecnología se propuso en la Universidad Técnica de Dresde, donde se comenzó a trabajar en 2012 para crear sistemas robóticos que puedan transmitir sensaciones de forma remota.

Los científicos ahora están trabajando para crear un toque artificial mediante la introducción de sensores en estructuras robóticas suaves y los sensores táctiles más sensibles. Ahora los sensores ya pueden reproducir la fuerza y la naturaleza del tacto, distinguir entre diferentes materiales: metal, madera, textiles, etc.

TI plantea requisitos para que las redes 5G puedan:

demora menos de 1 ms;
confiabilidad: para realizar tareas críticas (por ejemplo, operación remota), pérdidas de red, fallas de equipos, etc.
alta velocidad de transferencia de datos: más de 10 Gb / s;
Alta densidad de red: soporte para conectar más de 100 dispositivos por 1 km2.

Para reproducir las sensaciones, se supone que hay dispositivos en contacto con el destinatario, por ejemplo, ropa (camisetas, suéteres, pantalones), accesorios (guantes), zapatos, sombreros, exoesqueletos o dispositivos especiales, que son pantallas táctiles con unidades pequeñas, que mueven los elementos móviles (agujas, alfileres).

Con la ayuda de TI, uno puede aprender a dibujar, tocar instrumentos musicales, realizar operaciones quirúrgicas remotas, es decir, todo lo que requiere las habilidades de motricidad fina. En el comercio electrónico, puede aplicar esta tecnología para tocar o probar un producto antes de comprarlo. Las exhibiciones del museo se pueden tocar e incluso sentir en la mano el peso de los artefactos antiguos. Los juegos de disparos en línea multijugador con XR + TI se volverán más realistas, puedes sentir el dolor, las sacudidas, los golpes, el calor y el frío.

Los primeros ejemplos prácticos del uso de TI en cirugía ya están allí hoy. En los Estados Unidos, se están realizando pruebas para introducir el llamado "Telecirugía" cuando el cirujano realiza una operación quirúrgica de forma remota a través de una red 5G. La telecirugía es muy diferente de la telemedicina clásica: no se trata de una simple transmisión de video en modo conferencia, sino de la "presencia" del cirujano durante la operación. Sus movimientos, precisión, habilidades personales, reacción instantánea a los eventos: todo se transmitirá a través de redes 5G sin presencia física y sin comprometer la calidad de la operación. Por lo tanto, los servicios de especialistas raros serán más asequibles y los pacientes podrán elegir un cirujano, independientemente del país de residencia.

UAV (drones)

La telecirugía impone altas demandas de latencia y confiabilidad de las comunicaciones, pero hay un área más que requiere todo lo demás y conectividad masiva: los UAV (vehículos aéreos no tripulados o "drones"). Hoy no sorprenderá a nadie con drones ligeros no tripulados de diversos propósitos, desde entretenimiento hasta drones militares especializados. Con su ayuda, graban videos espectaculares, realizan reconocimientos del área, salvan personas, transportan mercancías, etc. Pero casi todos ellos son controlados directamente por una persona que tiene contacto inalámbrico directo confiable en una frecuencia sin licencia.

Con respecto a la implementación de 5G, en los países progresistas, las autoridades reguladoras ya han prestado mucha atención a este tema hoy, en relación con el cual se están llevando a cabo la estandarización y la seguridad en esta área. Por ejemplo, en Europa hay un grupo especial de expertos 5G PPP (5G Infrastructure Public Private Partnership, www.5g-ppp.eu/5gdrones) sobre la base de la Comisión Europea y representantes de la industria de la tecnología de la información y las comunicaciones (operadores, proveedores, instituciones, pequeñas y medianas empresas) de Gran Bretaña, Francia, Suiza, Austria, Finlandia, Grecia, Polonia y Estonia. La asociación público-privada 5G PPP ofrecerá soluciones, arquitecturas, tecnologías y estándares para UAV. A través de esta iniciativa estatal, la Unión Europea ve una de las formas de fortalecer su liderazgo tecnológico en el escenario mundial.

Con los estándares que rigen la rotación masiva de drones, sistemas de inteligencia artificial, un canal de comunicación inalámbrico 5G confiable, constante y rápido para toda una colmena de drones, se pueden abrir nuevos mercados y servicios en una variedad de áreas. Imagínese: correos de aviones no tripulados que entregan alimentos de tiendas o medicamentos importantes a lugares de difícil acceso; rescate de drones en busca de personas perdidas en un bosque o mar día y noche; disparar drones, extinguir incendios en la etapa inicial; agrocopters rociando cultivos, y todo a escala mundial, y no en casos especiales.

Dron suizo Post suizo de Matternet

Transporte de personas a lugares de difícil acceso en un

dron de carga Agrocopter lleva a cabo el procesamiento de tierras agrícolas

El dron de fuego Predator-100 (China) lanza un dron de

rescate y búsqueda de incendios de la organización suiza de rescate de aviación Rega, en busca independiente de personas El

dron DJI Matrice 600 Pro entrega los riñones de una persona fallecida (EE. UU.)

Infraestructura C-V2X

Pasaremos de vehículos aéreos no tripulados a vehículos no tripulados. Muchos han visto la presentación en video de Tesla (www.tesla.com), donde un vehículo eléctrico impulsado por inteligencia artificial se mueve por la ciudad con una mínima participación del conductor. O otro ejemplo: el servicio Waymo (www.waymo.com), que le permite llamar a un taxi usando la aplicación móvil y llegar al punto seleccionado sin que un conductor conduzca.

Piloto automático Tesla trabajando en movimiento con un conductor conduciendo

Waymo trabajando en movimiento sin un conductor conduciendo

Ambos servicios se basan en diferentes principios operativos, bajo el control de una poderosa inteligencia artificial integrada en el automóvil. Auto toma una decisión situacional basada en información visual y datos del lidar (Waymo). Un automóvil "inteligente" está rodeado de automóviles "no inteligentes" e impredecibles que están bajo control humano.

Existe un enfoque de infraestructura para la conducción no tripulada, consagrado en la versión 14 de 3GPP - C-V2X. La abreviatura C-V2X significa Cellular Vehicle-to-Everything, es el concepto de transmitir información de un vehículo a cualquier objeto que pueda afectar al vehículo, y viceversa. Este enfoque permite que el vehículo se "comunique" con otros automóviles (V2V), infraestructura (V2I), la red LTE (V2N), la red eléctrica (V2G), peatones (V2P) e incluso casas (V2H). La decimoquinta versión de 3GPP también introdujo la capacidad de comunicarse con el automóvil y la red 5G, lo que hizo que el C-V2X fuera más atractivo gracias al servicio URLLC.

Por lo tanto, los vehículos conectados al sistema C-V2X podrán "ver" la imagen completa de la situación de la carretera, "conocer" sobre la posición relativa, los obstáculos, las áreas peligrosas y la inteligencia artificial ubicada en la red no solo formarán una trayectoria separada para ellos. , y lo haremos teniendo en cuenta la influencia mutua en el sistema de transporte. Dichos sistemas resolverán el problema de transporte mejor y más seguro que cualquier conductor, reducirán el tiempo de viaje de cada participante en el movimiento, harán que el movimiento sea predecible, seguro y eficiente desde el punto de vista energético.

PricewaterhouseCoopers (PwC), una empresa de consultoría internacional, predice que los primeros automóviles sin conductores aparecerán en las vías públicas a partir de 2021, y para 2040 todas las megalópolis de todo el mundo estarán sin tripulación. Sin embargo, al principio dicho transporte requerirá la atención del conductor en ciertas situaciones a lo largo del camino. Durante este período, también se abordarán cuestiones legales relacionadas con vehículos no tripulados y eléctricos. En particular, aspectos legales y de seguros. Se dedicará una cierta cantidad de tiempo a crear una red de estaciones de carga para automóviles eléctricos.

En Rusia, este servicio ya se encuentra en la etapa de investigación y creación de prototipos. En 2018, el operador ruso Megafon, en asociación con KAMAZ, realizó una simulación del servicio V2X en el área piloto basada en el autobús eléctrico no tripulado ShATL.

Modelando V2X en la zona piloto en el autobús de pasajeros no tripulados ShATL de 12 asientos de KAMAZ (Kazan, 12 de junio de 2018)

Ahora, enumerando muchos ejemplos donde 5G será más útil que nunca, descubriremos cuál es el estado de las redes 5G hoy y qué barreras deben superarse en el camino a un futuro fantástico

El estado de las redes 5G en el mundo y en Rusia

Sin embargo, el proceso de introducción de redes 5G en la operación comercial comenzó en 2019, mientras que la cobertura de dichas redes es muy modesta. A principios de 2020, 47 operadores pusieron en funcionamiento redes 5G en 22 países del mundo, y junto con aquellos que planearon lanzar o realizar pruebas, habrá 279 operadores en 109 países.

Número de estaciones base 5G-NR en uso comercial [3]

Redes comerciales, planificadas y piloto 5G

En cuanto al equipo del suscriptor, ya hay muchos teléfonos inteligentes 5G, enrutadores y modelos CPE a la venta.

Modelos de teléfonos inteligentes 5G

Los primeros usuarios ya han apreciado un aumento significativo en la velocidad de transmisión en modo 5G. Los resultados de la prueba de Qualcomm (mayo de 2019) muestran un aumento de 3.3 veces en la velocidad de descarga para dispositivos 5G en comparación con los dispositivos LTE. En el futuro, esta cifra será mayor debido a una cobertura más densa y la transición del núcleo LTE EPC a una red central de paquetes 5G.

En Rusia, los operadores de los "Cuatro Grandes" de agosto a septiembre de 2019 ya realizaron las primeras pruebas y el lanzamiento de segmentos piloto de redes 5G. Según los resultados de la prueba en esta etapa, los retrasos en la red en el tráfico salieron a menos de 10 ms, y las velocidades alcanzaron 2 Gbit / s para la descarga. Las zonas piloto 5G se pueden encontrar en las calles de Moscú (Parque Zaryadye, Ciudad de Moscú, Vorobyovy Gory, VDNH, Skolkovo, GMS-Hospital, SK Luzhniki, estación de metro Gorky), Kazan, Kronshtadt y en los laboratorios de los operadores móviles.

(1.3 /) Huawei “Mate X” ()

5G ( NSA, LTE FDD 1800 FR1 mmWave n257)

Según el programa ruso de economía digital, la cobertura de red 5G sostenible debería proporcionarse para 2024 en todas las ciudades principales con una población de más de 1 millón de personas. Por el momento, el modelo de desarrollo de las redes 5G rusas no está completamente definido. El problema, como en otros países, es la elección de las bandas de radiofrecuencia. Los operadores consideran que la banda de 3.4-3.8 GHz (n78 y n79) es la más atractiva para 5G, sin embargo, está ocupada por otros usuarios, principalmente servicios militares y especiales, y requiere trabajo de liberación. Aparecerá más claridad con los rangos de frecuencia en el cuarto trimestre de 2020 después de una licitación abierta, en la que Roskomnadzor debería distribuir las frecuencias de radio en un formato de subasta.

El camino de LTE a 5G

Como se dijo, las redes 4G actuales no resisten los requisitos establecidos por los nuevos escenarios de aplicación. Además de la densidad de las conexiones, el ancho de banda de la parte de radio, etc., los retrasos en las redes 4G son bastante grandes. Los retrasos consisten en retrasos en la parte de radio y en la parte de infraestructura y hoy suman decenas de milisegundos. A largo plazo, para redes 5G completas, incluido el soporte para Network Slicing y URLLC, se requerirá tanto la nueva infraestructura de red NGCN (Red convergente de próxima generación) como la modernización de la red de acceso de radio. Está claro que aumentar ese volumen de trabajo de una vez es imposible.

Retrasos en la red 4G

El consorcio 3GPP inicialmente tuvo en cuenta la complejidad de implementar nuevas redes y adoptó los escenarios de transición de la configuración estándar de redes LTE (# 1) a 5G. Se propone que la introducción de 5G se lleve a cabo primero sobre la infraestructura de LTE EPC existente en modo NSA (no autónomo, # 3), como lo hicieron los operadores móviles durante todo 2019. En esta configuración, los retrasos en los componentes de radio se reducirán, pero en vista de las limitaciones del núcleo LTE del EPC, la tasa de retraso general estará lejos de los requisitos de URLLC. El punto principal de esta configuración es diferente: en la parte de radio obtendremos un aumento significativo en el ancho de banda suficiente para la mayoría de las aplicaciones eMBB existentes, así como la estabilidad de la conexión con un gran número de suscriptores conectados a una estación base.

Escenarios para construir una red 5G de períodos iniciales e intermedios

Modelo NSA inicial ( # 3) tiene como objetivo mejorar la calidad de Internet de banda ancha móvil para aumentar la confiabilidad y el volumen de datos transmitidos mediante el uso de la conexión en el modo EN-DC (E-UTRAN New Radio - Dual Connectivity). Los terminales de usuario que admiten EN-DC pueden conectarse simultáneamente a estaciones base LTE y 5G, mientras que la estación base LTE está anclada (se requiere actualización a ng-eNb o se requiere una nueva generación de eNB). El terminal de usuario (UE) se registra inicialmente en la red a través de E-UTRAN a bajas frecuencias (<2 GHz) y comienza a transmitir a la red los resultados de las mediciones realizadas en la red de acceso de radio 5G-NR. Con una "calidad de señal de radio 5G" satisfactoria, la estación base LTE ng-eNb inicia una solicitud a la estación base 5G gNB para asignar recursos de red al UE.Al finalizar el procedimiento, el UE se conecta simultáneamente a las estaciones base LTE ng-eNB y 5G gNB. Por supuesto, el área de cobertura de la estación base 5G será significativamente más estrecha que LTE, ya que La señal de onda milimétrica de alta frecuencia tiene un coeficiente de atenuación más alto.

Conexión del UE a LTE ng-eNB y 5G gNB en modo EN-DC

Además, usando las estaciones base LTE + 5G-NR combinadas, es posible expandir el área de cobertura 5G usando la tecnología DSS (Dynamic Spectrum Sharing, Dynamic Spectrum Separation) cuando el rango más bajo La frecuencia E-UTRAN (<2 GHz) se comparte dinámicamente con 5G-NR. Antes de que los operadores introduzcan el núcleo 5G, las redes podrán trabajar de esta manera.

Ampliación de la cobertura 5G con LTE de baja frecuencia (DSS)

Luego del paso 3 , cuando los operadores móviles integran el núcleo 5G NGCN, pueden cambiar a los modos SA objetivo y final (opciones 2 y 5) cuando se utiliza una tecnología de acceso por radio: E-UTRAN o 5G-NR. A continuación se muestra la vista final de una red 5G capaz de proporcionar servicios URLLC.

La vista final de la red 5G

Para satisfacer la creciente necesidad de eMBB, puede usar las frecuencias medias (2 GHz-7 GHz), aumentando así las velocidades de transferencia de datos, incluso debido a la agregación de frecuencias. Frecuencia más baja: más cobertura, pero menos ancho de canal. Sin embargo, hay una manera de aumentar la cobertura mientras se mantiene una alta velocidad de descarga utilizando un canal de enlace ascendente opcional (SUL, enlace ascendente suplementario). ¿Cómo funciona? La figura a continuación muestra cómo un recurso de radio de rango medio "emparejado" (UL / DL) se asigna al UE un canal adicional de enlace ascendente (SUL) no emparejado de bajas frecuencias. Luego, en una celda, el UE recibe 1xDL (frecuencias medias) y 2xUL (frecuencias bajas y medias) del canal, cuyo uso será controlado por la red. En este caso, en el límite de la celda en el canal DL, se utiliza una señal de frecuencia media con mayor potencia del rango "emparejado",y en el canal UL: una señal de baja frecuencia en el rango SUL no emparejado. Como resultado, la estación base "ve" el UE a distancias más largas, y la velocidad de descarga se mantiene utilizando frecuencias medias.

La expansión del área de cobertura de las frecuencias medias debido al canal no emparejado

Pronóstico de cobertura 5G y última milla

A partir de los escenarios de implementación de las redes 5G y las bandas de frecuencia aplicadas, se sigue la lógica de la asignación de bandas de frecuencia para diferentes escenarios, como se muestra en la Tabla 3. Este concepto obedece a la tecnología de división de red definida por la especificación 3GPP; permitirá a los operadores móviles desplegar redes aisladas entre sí, cada uno de ellos se puede asignar a necesidades específicas (para Internet de las cosas, transmisión de video, etc.).

*Escenarios de aplicación en diferentes rangos de frecuencia 5G*
Frecuencias	El ancho de la línea	Escenarios	Característica
por encima de 7 GHz (FR2)	800 megaciclos	eMBB	Ultra alta velocidad, baja cobertura y solo en la calle
2 GHz ... 7 GHz (FR1)	100 MHz	eMBB, URLLC, mMTC	, ,
< 2 (FR1)	20	eMBB, URLLC, mMTC	,

Teniendo en cuenta la viabilidad de estos escenarios en megaciudades, pequeñas ciudades y pueblos, es posible elaborar un esquema de cobertura de red generalizado como en la Figura 34. Como saben, en el mundo las redes 3G han sido abandonadas o ya se han anunciado planes de desconexión. Por lo tanto, en la figura 3G se muestra con una línea discontinua. De acuerdo con los planes de los operadores europeos, en lugar de 3G lento, LTE rápido (escenario # 5 ) llegará a las aldeas mientras se ahorra 2G para el tráfico de voz. La cobertura en los suburbios se caracterizará por velocidades más altas y demoras más bajas, y las megalópolis, además, contarán con una gran cantidad de conexiones e Internet ultrarrápida en lugares donde se cubre el rango de frecuencia de FR2. Como puede ver, en los próximos años, las redes 5G no reemplazarán a las redes 4G, sino que se integrarán gradualmente con las redes 4G, mejorando significativamente la situación general.

Un esquema generalizado de cobertura con redes 2G, LTE y 5G hasta 2025.

Cabe señalar por separado que dicha distribución de redes dará lugar a un fuerte crecimiento en el mercado de FWA (Acceso inalámbrico fijo, ver más abajo). Los fabricantes de CPE (Equipo de instalaciones del cliente, equipo de telecomunicaciones montado en la pared o interno ubicado en las instalaciones del suscriptor) podrán proporcionar Internet de alta velocidad a los residentes de territorios donde la cobertura 5G de alta velocidad y confiable no ha "alcanzado" por alguna razón.

Por lo general, los proveedores de Internet por cable y fibra óptica vienen a esos lugares. Pero 5G FWA representará una seria amenaza para este sector empresarial. De hecho, con 5G en FWA, la calidad de Internet de banda ancha no será inferior a Internet de fibra óptica, y el costo de la conexión estará completamente fuera de competencia, ya que se excluyen la eliminación de fibra / cable, el trabajo de instalación y la configuración de cada suscriptor por separado. Instalar un CPE es tan simple como instalar un enrutador Wi-Fi y casi no requiere mantenimiento.

Conexiones FWA y cableadas / de fibra en Last Mile

CPE Interior (CPE interior) y Pared (CPE exterior)

Tal vez, como resultado, el mercado de Internet por cable / fibra se transformará fuertemente, encontrará su aplicación específica, pero nunca estará tan extendido como lo está hoy. En contraste, según el pronóstico de los expertos de SNS Telecom (www.snstelecom.com), para 2030, 345 millones de suscriptores se conectarán a través de 5W a través del servicio FWA, y más de 90 millones de unidades se venderán a las unidades de suscriptores de CPE. En Rusia, este servicio debido a la longitud del territorio puede ser muy popular incluso en la etapa inicial del despliegue de la red 5G.

Número de conexiones FWA con 5G (Fuente: SNS Telecom)

Módulos de abonado 5G Soluciones inalámbricas SIMCom

Como se dijo, los teléfonos inteligentes y tabletas 5G ya están a la venta. SIMCom Wireless Solutions (www.simcom.com), que se ha especializado en el desarrollo y la producción de módulos de comunicación celular para el mercado M2M desde 2002, anunció planes para expandir la línea de productos con módulos 5G en 2019. Hoy, la cartera de módulos se repone con 4 modelos: SIM8200G, SIM8200EA-M2, SIM8300NA (mientras que la versión para Norteamérica) y SIM8300G-M2.

La línea 5G de los módulos sub6G de SIMCom Wireless Solutions (“a” y “b”) y sub6G + mmWave (“c” y “d”)

Los cuatro módulos se basan en la plataforma SoC Snapdragon X55 (o SDX55) de Qualcomm, fabricada con tecnología de 7 nm. Los módulos cumplen con la versión 15 de la especificación 3GPP. Fallback es compatible con LTE-FDD / LTE-TDD / 3G, modo EN-DC, MIMO masivo y un conjunto global de rangos de frecuencia (consulte la tabla a continuación). El equipo del suscriptor basado en módulos de melón podrá funcionar tanto en redes 5G de transición en modo NSA como en redes 5G finales en modo SA, es decir. donde haya cobertura E-UTRAN o 5G-NR. Los módulos de la serie 82 admiten operación en el rango sub6G, mientras que la serie 83 también admite el rango milimétrico (mmWave). Los módulos se ejecutan en dos factores de forma: en la carcasa de soldadura LGA y en forma de una tarjeta M2. El primero es interesante.cuando el módulo requiere un amplio conjunto de interfaces y / o un método de instalación mecánica está contraindicado en las condiciones de funcionamiento del producto final. Las tarjetas M2 tienen un tamaño estándar e interfaces (PCIe 3.0, USB 3.1, USIM ...), lo que permite proporcionar comunicación celular como opcional en el producto. En algunos casos, una tarjeta LTE puede incluso cambiarse a una tarjeta 5G.

*5G SIMCom Wireless Solutions*
		SIM8200G	SIM8200EA-M2	SIM8300G-M2
3GPP		Rel.15
NSA/SA		+
	mmWave			7 / (), 3 / ()
	sub-6G	4 / (), 450 /	4 / (), 300 /	4 / (), 600 / ()
	LTE	2 / (), 150 / ()	2.4 / (), 200 / ()
	HSPA+	42 / (), 5.76 / ()
	5G NR mmWave	-	-	n257/n258/n260/n261
	5G NR Sub6G	n1/n2/n3/n5/n7/n8/n12/n20/n25/n28/n40/n41/n66/n71/n77/n78 (n79 SIM8200G SIM8300G-M2)
	LTE-FDD	B1/B2/B3/B4/B5/B7/B8/B12/B13/B14/B17/B18/B19/B20/B25/B26/B28/B29/B30/B32/B66/B71
	LTE-TDD	B34/B38/B39/B40/B41/B42/B43/B48 (B46 SIM8300G-M2)
	WCDMA	B1/B2/B3/B4/B5/B8
GNSS		, GPS, Beidou, Galileo, QZSS
		USB2.0, USB3.1, UART, PCIe Gen3.0, USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO, SPI, ADC, RGMII, SDIO3.0, PMI, WiFi	USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0, 2xUIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO	USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0,USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO
		8	6	14
		NDIS/RNDIS/PPP/TCP/IPv4/IPv6/Multi-PDP/FTPS/HTTPS/DNS/SSL/TLS
		VoNR, VoLTE, CSFB
		USB FOTA
		41.0 43.6	30.0 52.0	30.0 52.0
		3.3…4.3
		-30…+85 C

Por el momento, ya hay varios ejemplos de proyectos basados en módulos 5G, como CPE, enrutadores, un avión no tripulado y módems USB, etc. Según la experiencia de la empresa, debo decir que el desarrollador debe tener una alta competencia en el campo del diseño de equipos de alta frecuencia de esta clase, especialmente en el caso de los módulos de la serie 83, requieren la conexión de 2 a 4 módulos de antena externa QTM525-2 o QTM527-2 para funcionar en el rango de milímetros (mmWave), que debe satisfacer ciertas condiciones de posicionamiento relativo.

Dongle 5G-USB UM80 basado en módulos de antena SIM8200EA-M2

del rango milimétrico QTM525-2 (a) y QTM527-2 (b)

Los módulos de antena dentro de la carcasa combinan una estructura de antena en capas, una fuente de alimentación, filtros, amplificadores y un circuito de conversión de frecuencia. El módulo de antena está conectado al módulo 5G a través de un cable flexible y un par de cables de RF (líneas azules en la figura a continuación), a través del cual se propagan las señales de polarización vertical y horizontal (IF-V e IF-H). Para operar los módulos de antena, se requieren dos fuentes de alimentación, una de ellas se suministra directamente desde el módulo (1.9V, la línea amarilla en la figura a continuación) y la otra desde una fuente externa (3.3V, la línea roja en la figura a continuación). En este caso, el módulo controla el encendido y apagado de los módulos de antena con una señal digital separada.

Conecte 4 antenas sub6G y 4 antenas modulares al módulo 5G en la placa del dispositivo

Para probar los módulos 5G, los desarrolladores cuentan con kits de depuración, con los cuales puede evaluar inicialmente el trabajo en los rangos sub6G y mmWave sin mucho tiempo.

En Rusia, los módulos 5G se presentaron por primera vez en enero de 2020 en la conferencia especializada "5G: de la tecnología a la implementación" en la Universidad Estatal de Telecomunicaciones de San Petersburgo. profe. M.A. Bonch-Bruevich. En el marco de la conferencia, los participantes interesados en el mercado, como: Qualcomm, Huawei, Megafon, SIMCom Wireless Solutions y otros, discutieron el estado actual de las redes 5G en Rusia y el mundo, soluciones técnicas, problemas de implementación y muchos otros temas, incluido el espectro de frecuencia para redes quinta generación Los rangos de frecuencia para la red 5G en Rusia aún no se han determinado completamente; los operadores móviles aún no han realizado muchas pruebas, incluidos los módulos de comunicación celular de varios fabricantes, para determinar la elección de las bandas en ciertas regiones. Sin embargo, en los módulos 5G presentados, la lista de bandas compatibles es extensa,lo que significa que se admitirá casi cualquier combinación de rango seleccionada por operadores, módulos.

Como conclusión

Es demasiado pronto para decir que las redes 5G han adquirido su apariencia final madura. Tenemos que esperar a la versión 16, que, de acuerdo con la intención del consorcio, cerrará la segunda fase de especificaciones y determinará el comienzo de la implementación masiva de las redes centrales de quinta generación. Sin embargo, esto no nos impide comenzar a trabajar en el estudio de nuevas tecnologías hoy, lo que sentará las bases para futuros proyectos, porque las redes de acceso de radio 5G-NR ya están disponibles públicamente, aunque de forma limitada. Debemos entender que las redes 5G se convertirán tarde o temprano en nuestra rutina diaria y la transición del modo NSA a SA será fluida y discreta, y los logros logrados hoy no se desperdiciarán.

Materiales usados

Batuev B.B. SIM7000E / SIM7000E-N: aplicación de modos PSM y eDRX de ahorro de energía en redes NB-IoT. Tecnología inalámbrica. 2017. No2.
www.youtube.com/channel/UCWAK-dRtTEjnQnD96L6UMsQ - video del canal RosBusinessConsulting Youtube.
www.speedtest.net/ookla-5g-map - Servicio de Ookla.

Por qué y cómo 5G lo cambiará todo: tecnología, implementación por fases y base de elementos para el equipo del suscriptor