5G - wo und wer braucht das?

Selbst ohne viel Verständnis für die Generationen mobiler Standards wird wahrscheinlich jeder antworten, dass 5G cooler ist als 4G / LTE. In der Tat ist nicht alles so einfach. Mal sehen, was 5G besser / schlechter ist und welche Fälle seiner Verwendung angesichts des aktuellen Zustands am vielversprechendsten sind.

Was verspricht uns die 5G-Technologie?

• Geschwindigkeitssteigerung um das Zehnfache auf 10 Gbit / s,
  
• Abnahme der Verzögerungen (Latenz) dutzende Male bis zu 1 ms,
  
• Hundertefache Erhöhung der Zuverlässigkeit der Verbindung ( Paketverlustfehlerrate ),
  
• Erhöhung der Dichte (Anzahl) der angeschlossenen Geräte (10 ⁶ / km ² ).
  

All dies wird erreicht durch:

• Mehrkanalismus (Parallelität in Frequenzen und Basisstationen)
  
• Erhöhung der Hochfrequenzträger von Einheiten auf zehn GHz (Funkkanalbandbreite)
  

5G verbessert 4G in herkömmlichen Bereichen, unabhängig davon, ob ein Film sofort heruntergeladen oder Ihre mobile Anwendung nahtlos mit der Cloud verbunden wird. Ist es also möglich, die Lieferung des Internets an unsere Wohnungen und Büros per Kabel zu verweigern?

5G bietet eine universelle Verbindung von allem mit allem und kombiniert breitbandige, energieverbrauchende Protokolle mit schmalbandigen, energiesparenden Protokollen. Dies wird neue Wege eröffnen, die für 4G unzugänglich sind: Maschinenkommunikation am Boden und in der Luft, Industrie 4.0, das Internet der Dinge. Das 5G-Geschäft wird voraussichtlich bis 2035 3,5 Milliarden US-Dollar verdienen und 22 Millionen Arbeitsplätze schaffen.
Oder nicht?..


(Bildquelle - Reuters)

Wie funktioniert es?

Wer weiß, wie 5G funktioniert - überspringen Sie diesen Abschnitt.

Auf welche Weise können wir also eine so schnelle Datenübertragung in 5G erreichen, wie oben beschrieben? Ist das nicht eine Art Magie?

Die Geschwindigkeitssteigerung tritt aufgrund des Übergangs in einen höheren Frequenzbereich auf - bisher nicht verwendet. Beispielsweise beträgt die Frequenz von Heim-WLAN 2,4 oder 5 GHz, die Frequenz bestehender Mobilfunknetze innerhalb von 2,6 GHz. Aber wenn wir über 5G sprechen, dann sprechen wir hier sofort über Dutzende von Gigahertz. Es ist ganz einfach: Erhöhen Sie die Frequenz, verringern Sie die Wellenlänge - und die Datenübertragungsgeschwindigkeit wird um ein Vielfaches höher. Und das gesamte Netzwerk wird entladen.

Hier ist ein visueller Comic darüber, wie es war und wie es sein wird. Es war:


Wird sein:

(Quelle: IEEE Spectrum, alles , was Sie über 5G wissen müssen )

Die Frequenz hat sich verzehnfacht, so dass es sich bei 5G um viel kürzere Millimeterwellen handelt. Sie passieren Hindernisse schlecht. In dieser Hinsicht ändert sich die Netzwerkarchitektur. Früher wurde uns die Kommunikation von großen, leistungsstarken Türmen ermöglicht, die die Kommunikation über große Entfernungen ermöglichten. Jetzt müssen jedoch überall viele kompakte Türme mit geringem Stromverbrauch angeordnet werden. Und denken Sie daran, dass in Großstädten Bahnhöfe aufgrund der Signalblockierung durch Hochhäuser viel benötigen. Um New York sicher mit 5G-Netzen auszustatten, müssen Sie die Anzahl der Basisstationen um das 500-fache erhöhen !

Laut russischen Betreibern wird die Umstellung auf 5G für sie etwa 150 Milliarden Rubel kosten - Kosten, die mit früheren Kosten für die Bereitstellung eines 4G-Netzes vergleichbar sind, und dies trotz der Tatsache, dass die Kosten für eine 5G-Station niedriger sind als die bestehenden (aber sie benötigen viel).

Zwei Netzwerkoptionen: fest und mobil

Um den Energieverbrauch zu senken und die Reichweite zu erhöhen, wird die Beamforming- Technologie verwendet - die dynamische Bildung eines Funkstrahls für einen bestimmten Teilnehmer. Wie wird das gemacht? Die Basisstation merkt sich, woher das Signal kam und wie viel (es kommt nicht nur von Ihrem Telefon, sondern auch als Reflexion von Hindernissen) und berechnet mithilfe von Triangulationsmethoden Ihren ungefähren Standort und erstellt dann den optimalen Signalpfad.


Quelle: Analysys Mason

Die Notwendigkeit, die Position des Empfängers zu verfolgen, führt jedoch zu einem geringfügigen Unterschied für feste und mobile Anwendungsfälle, was sich in verschiedenen Anwendungsfällen widerspiegelt (mehr dazu später im Abschnitt „Verbrauchermarkt“).

Status quo

Standards

Es gibt keinen akzeptierten 5G-Standard. Die Technologie ist zu komplex und es gibt zu viele Akteure mit widersprüchlichen Interessen.

Der 5G NR-Standard ( New Radio ) aus dem 3GPP ( 3D Generation Partnership Project ), der die vorherigen Standards 3G und 4G entwickelt hat, bietet derzeit ein hohes Maß an Entwicklung. 5G verwendet zwei Funkfrequenzbereiche ( Frequenzbereich oder einfach abgekürzt FR ). FR1 bietet Frequenzen unter 6 GHz. FR2 - über 24 GHz, sogenannte Millimeterwellen. Der Standard unterstützt feste und bewegliche Empfänger und ist eine Weiterentwicklung des 5GTF-Standards des amerikanischen Telekommunikationsgiganten Verizon, der nur feste Empfänger unterstützt (diese Art von Dienst wird als festes drahtloses Zugangsnetz bezeichnet).

Der 5G NR-Standard bietet drei Anwendungsfälle:

• eMBB ( Enhanced Mobile Broadband ) - definiert das für uns übliche mobile Internet;
  
• URLLC ( Ultra Reliable Low Latency Communications ) - hohe Anforderungen an Reaktionsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit - für Aufgaben wie autonomen Transport oder Fernchirurgie;
  
• mMTC ( Massive Machine Type Communications ) - Unterstützung für eine große Anzahl von Geräten, die selten Daten senden - ein Fall des Internet der Dinge, dh Zähler und Überwachungsgeräte.
  

Oder kurz das gleiche auf dem Bild:

Es ist wichtig zu verstehen, dass sich die Branche zunächst auf die Einführung von eMBB als verständlicheres Szenario mit vorhandenen Cashflows konzentrieren wird.

Implementierung

Seit 2018 werden beispielsweise bei den Olympischen Winterspielen in Südkorea groß angelegte Tests durchgeführt. Im Jahr 2018 führten alle russischen Big Four-Betreiber Tests durch. MTS testete die neue Technologie in Zusammenarbeit mit Samsung - getestete Anwendungsfälle mit Videoanrufen, hochauflösender Videoübertragung und Online-Spielen.

In Südkorea wurde Ende 2018 erstmals weltweit ein 5G-Dienst angeboten. Die weltweite kommerzielle Umsetzung wird im nächsten Jahr 2020 erwartet. In der Anfangsphase wird die FR1-Reihe als Add-On zu bestehenden 4G-Netzen verwendet. Nach den Plänen des Kommunikationsministeriums wird 5G in Russland seit 2020 in mehr als einer Million Städten erscheinen. In der Praxis wird die Bereitstellung in großem Maßstab durch die Möglichkeit einer Monetarisierung bestimmt, und dieser Aspekt von 5G ist noch nicht klar.

Jetzt wird 5G von Telekommunikationsbetreibern eher in der Marketingebene gesehen: Das 5G-Symbol auf dem Telefonbildschirm wird für Abonnenten von Telekommunikationsbetreibern definitiv ein Plus sein. Der anekdotische Vorfall mit dem AT & T-Betreiber , bei dem das 5G-Symbol in Abwesenheit eines echten Netzwerks angebracht wurde, weist auf den Vorfall hin, für den Wettbewerber eine Klage gegen ihn wegen Betrugs eingereicht haben.


Wenn Sie genau hinschauen, können Sie sehen, dass das Symbol tatsächlich „5GE“ ist - steht für 5G Evolution, und plötzlich ist dies nicht das 5G, über das wir nachdenken, sondern nur ein Label, das von Vermarktern für das bestehende LTE-Netzwerk mit einigen Verbesserungen erfunden wurde.

Chipsätze

Mikroelektronikunternehmen haben bereits viele Milliarden Dollar in 5G investiert. Chips für 5G NR-Mobilfunkmodems werden von Samsung ( Exynos Modem 5100 ), Qualcomm ( Snapdragon X55-Modem ) und Huawei ( Balong 5000 ) angeboten. Modems von Intel, einem neuen Player auf diesem Markt, werden Ende 2019 erwartet. Das Samsung-Modem wird mit 10-nm-FinFET-Technologie hergestellt und ist mit alten Standards ab 2G kompatibel. Im Frequenzbereich bis 6 GHz werden Download-Geschwindigkeiten von bis zu 2 Gbit / s bereitgestellt, während im Millimeterbereich die Geschwindigkeit auf 6 Gbit / s erhöht wird.

Telefone

Fast alle Hersteller von Android-Handys haben Pläne zur Implementierung von 5G angekündigt. Samsung stellte das Flaggschiff Galaxy S10 in der 5G-Version auf dem Mobile World Congress Ende Februar 2019 vor. Am 5. April wurde es in Korea veröffentlicht. In den USA erschien die Neuheit am 16. Mai, und dort erfolgt die Verbindung mit dem Netz des Telekommunikationsbetreibers Verizon. Andere Betreiber ziehen ebenfalls an: AT & T kündigt Pläne an, im zweiten Halbjahr 2019 ein zweites Smartphone mit Samsung herauszubringen.

Verbrauchermarkt

Fall 1. Home Internet

5G-Netze mit festem drahtlosem Zugang werden in unseren Apartments zu einer Alternative zum kabelgebundenen Internet. Wenn früher das Internet per Kabel in unsere Wohnung kam, dann in Zukunft - vom 5G-Turm, und dann wird der Router es über das übliche WLAN zu Hause verteilen. Große Player-Unternehmen haben die Vorbereitungen abgeschlossen, indem sie die Freigabe der zum Verkauf stehenden Router mit der Bereitstellung von 5G-Netzwerken synchronisiert haben. Ein typischer 5G-Router kostet 700-900 US-Dollar und bietet eine Download-Geschwindigkeit von 2-3 Gbit / s. Auf diese Weise lösen die Bediener das Problem der "letzten Meile" und senken die Kosten für das Verlegen von Drähten. Und es besteht kein Grund zur Befürchtung, dass bestehende Backbone-Netze den erhöhten Datenverkehr von 5G-Netzen nicht bewältigen können: Derzeit laufen Studien zur Nutzung der vorhandenen Reserve von Glasfasernetzen - der sogenannten „dunklen Faser“.

Wie neu ist dieses Szenario für Benutzer? In einigen Ländern wird die Nutzung des herkömmlichen kabelgebundenen Internets bereits eingestellt, und es wird auf LTE umgestellt: Es stellt sich heraus, dass die Nutzung der Mobilkommunikation in allen Situationen zu günstigen Preisen schneller und billiger ist. Eine solche Situation hat sich beispielsweise in Korea entwickelt. Und sie ist hier in diesem Comic abgebildet:

Fall 2. Massenüberlastung von Menschen

Sicherlich war jeder in einer so unangenehmen Situation: Kommen Sie zur Ausstellung oder ins Stadion, und die mobile Kommunikation verschwindet. Und genau in diesem Moment möchten Sie ein Foto veröffentlichen oder in das soziale Netzwerk schreiben.

Stadien

Samsung führte im 30.000sten Baseballstadion einen Test in Zusammenarbeit mit dem japanischen Telekommunikationsbetreiber KDDI durch. Mit Test-5G-Tablets konnte das gleichzeitige Streaming von 4K-Videos auf mehreren Tablets demonstriert werden.



Das Stadion ist eines von drei Szenarien, die in einer Demo-Zone namens 5G City in Suwon (Hauptsitz von Samsung) dargestellt werden. Andere Szenarien umfassen eine städtische Umgebung (Anschließen von Kameras, Sensoren und Informationstafeln) und einen Hochgeschwindigkeitszugangspunkt für die Übertragung von HD-Videos an einen fahrenden Bus: Während ein Punkt passiert, hat ein Film Zeit zum Herunterladen.

Die Spiele

Niantic, der Schöpfer des weltberühmten Geolokalisierungsspiels Pokemon Go, hat hohe Erwartungen an 5G. Vor nicht allzu langer Zeit erschienen Gruppenereignisse in den Spielüberfällen. Bei Raids musst du dich mit anderen Spielern abstimmen, um gemeinsam ein besonders starkes Pokémon zu besiegen. Dies schafft interessante Situationen im wirklichen Leben. Der legendäre Hauptort des Spiels mit dem seltensten Pokemon Mewtwo befindet sich am Times Square in New York. Sie können sich vorstellen, welche Menschenmenge es geben kann, die nicht nur aus Pokemon-Jägern, sondern auch aus Touristen besteht.



Augmented Reality gilt auch als „Killer-App“ für 5G. In diesem Video sehen Sie das Konzept der magischen Echtzeitkämpfe, die jetzt von Niantic in einem neuen Spiel basierend auf "Harry Potter" entwickelt werden. Niantic hat bereits eine Partnerschaft mit Samsung und den Betreibern Deutsche Telecom und SK Telecom geschlossen.

Transport

Schließlich ist der Zugfall interessant. Es gab die Idee, die Eisenbahn mit 5G-Kommunikation für Unterhaltung und Fahrgastkomfort auszustatten. Eine Studie der Universität Bristol hat gezeigt : Um eine nahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation zu erreichen, müssen Sie die Eisenbahn mit Zugangspunkten in einem Abstand von 800 Metern ausstatten!


Ein Beispiel für die Anordnung von Zugangspunkten entlang der Eisenbahn

Die Tests wurden erfolgreich in einem Zug in der Nähe von Tokio durchgeführt - sie wurden von Samsung und dem Telekommunikationsbetreiber KDDI durchgeführt. Während der Tests wurde eine Geschwindigkeit von 1,7 Gbit / s erreicht, und während des Tests wurden 8K-Videos und 4K-Videos von der Kamera heruntergeladen.

Neue Anwendungsfälle

All dies ist jedoch eher eine Lösung für die uns bereits vertrauten Aufgaben. Und was kann uns 5G grundlegend Neues bieten?

Verbundenes Auto

Der Hauptvorteil ist die geringe Latenz, die es Autos ermöglicht, mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 km / h miteinander zu kommunizieren. Im Gegensatz zu menschlichen Fahrern können Autos endlich Manöver untereinander oder mit einer festen Infrastruktur aushandeln, was die Straße sicherer macht. Es ist interessant, dass das System die Wetterbedingungen berücksichtigt: Jeder weiß, dass bei rutschigem Wetter der Bremsweg länger ist und sich daher die Regeln in einem solchen System ändern müssen.

Die European Automotive Association (5GAA) bringt bereits mehr als 100 große Auto- und Automobilhersteller weltweit zusammen, um den Einsatz des C-V2X-Systems (Cellular Vehicle-To-Everything) zu beschleunigen. Hauptziele des Vereins sind umfassende Verkehrssicherheit und Verkehrseffizienz. Radfahrer und Fußgänger mit 5G-Smartphones können ebenfalls auf Sicherheit zählen. Teilnehmer der Bewegung in Entfernungen von bis zu 1 km können direkt Kontakt aufnehmen. In großen Entfernungen benötigen sie eine 5G-Abdeckung. Das System wird die Schaffung von Korridoren für Polizei und Krankenwagen sicherstellen und den Austausch von Sensoren zwischen Autos, Fernfahrern und anderen Wundern ermöglichen. Nach dem Start von C-V2X plant der Verband, die in 5G V2X gesammelten Erfahrungen anzuwenden, wo er in der 4.0-Industrie, in Smart Cities und bei allem, was sich bewegt, 5G nutzen wird.


Beispiele für Situationen, die mit Connected Car gelöst werden können. Quelle: Qualcomm.

Mit 5G können nicht nur Bodenfahrzeuge, sondern auch Flugzeuge kommunizieren. In diesem Jahr demonstrierte Samsung zusammen mit dem spanischen Internetanbieter Orange, wie ein Remote-Pilot den Flug einer Drohne mithilfe eines bereitgestellten 5G-Netzwerks steuerte und einen hochauflösenden Videostream in Echtzeit empfing. Der amerikanische Anbieter Verizon hat 2017 den Skyward-Drohnenbetreiber gekauft und verspricht Millionen von 5G-Flügen. Die Drohnen des Unternehmens sind bereits mit dem gestarteten Verizon 4G-Netzwerk verbunden.

Industrie 4.0

Generell wurde in Deutschland der Ausdruck "Industrie 4.0" für das industrielle Modernisierungsprogramm erfunden. Die 5G-ACIA (5G-Allianz für vernetzte Industrien und Automatisierung) mit Hauptsitz in Deutschland tritt seit 2018 Fertigungsunternehmen bei, die an der Verwendung von 5G interessiert sind. Die größten Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit werden durch die Steuerung der Bewegung von Industrierobotern gestellt, bei denen die Reaktionszeit einige zehn Mikrosekunden nicht überschreiten darf. Dies wird jetzt mithilfe von Industrial Ethernet (z. B. dem EtherCAT-Standard) gelöst. Es ist wahrscheinlich, dass 5G um diese Nische konkurrieren wird!

Andere Anwendungen, wie die Kommunikation zwischen industriellen Steuerungen oder Sensornetzwerken mit einem menschlichen Bediener, sind weniger anspruchsvoll. Jetzt verwenden die meisten dieser Netzwerke ein Kabel, sodass drahtloses 5G eine wirtschaftliche Lösung zu sein scheint und eine schnelle Neukonfiguration der Produktion ermöglicht.

In der Praxis wird die wirtschaftliche Machbarkeit zur Einführung von 5G in den teuersten Bereichen im Zusammenhang mit der Bezahlung menschlicher Arbeitskräfte führen, beispielsweise bei Gabelstaplerfahrern in Fabriken und Lagern. So demonstrierte das europäische Ingenieurbüro Acciona das autonome Robotersystem MIR200 . Der Wagen überträgt Videos mit einer Auflösung von 360 in hoher Auflösung. Ein Fernbediener hilft ihr dabei, die unvorhergesehene Situation zu verlassen. Der Wagen verwendet die 5G-Technologie von Cisco und Samsung.



Remote Collaboration-Technologien gehen noch weiter. In diesem Jahr wurde gezeigt, wie ein erfahrener Chirurg in Echtzeit den Fortschritt einer viele Kilometer entfernten onkologischen Operation überwacht und seinen Kollegen zeigt, wie die Operation am besten durchgeführt werden kann. Wenn sich die Technologie verbessert, kann er sich aktiver beteiligen und bereits direkt chirurgische Instrumente verwalten.

Internet der Dinge

Zunächst wird 5G das Problem mit den zahlreichen und schlecht unterstützten Kommunikationsstandards für das Internet der Dinge lösen, die unserer Meinung nach die Entwicklung dieses Bereichs jetzt einschränken.

Hier kann 5G Folgendes bieten:

• Ad-hoc-Netzwerk (ohne Router)
  
• Angeschlossene Geräte mit hoher Dichte
  
• Unterstützung für schmalbandige, energieeffiziente Kommunikation (über 10 Jahre mit einer einzigen Batterie)
  

Es scheint jedoch, dass das große Unternehmen immer noch mehr an anderen Szenarien als dem Internet der Dinge interessiert ist. Bei einer schnellen Suche im Internet wurden keine wichtigen Akteure gefunden, die die Vorteile von 5G für das Internet der Dinge demonstrieren.

Zum Abschluss dieses Themas achten wir auf die folgende interessante Gelegenheit. Abhängig von der Steckdose oder der Notwendigkeit, Batterien auszutauschen, wird die Auswahl an „Dingen“ eingeschränkt. Das niederfrequente induktive kabellose Laden funktioniert nur wenige Zentimeter voneinander entfernt. 5G und seine gerichteten Millimeterwellen ermöglichen ein effizientes Laden in Entfernungen von mehreren Metern. Obwohl die bestehenden Standards dies nicht vorschreiben, haben wir keinen Zweifel daran, dass Ingenieure bald Wege finden werden, diese Gelegenheit zu nutzen!

Entwicklerfunktionen

Wenn Sie sich für das Thema interessieren, wo können Sie dann weitermachen?

Kommunikation . Sie können 5G-Spieler auf den nächsten russischen Konferenzen Skolkovo Startup Village 2019 vom 29. bis 30. Mai, Wireless Russia Forum: 4G, 5G & Beyond 2019 vom 30. bis 31. Mai, CEBIT Russia 2019 vom 25. bis 27. Juni, Smart Cars & Roads 2019 24 persönlich kennenlernen Oktober.

Zu den akademischen Kontakten gehört das Moskauer Telekommunikationsseminar am Institut für Informationsübertragungsprobleme.

Finanzierung . Schlüsselspieler veranstalten Wettbewerbe für den Einsatz von 5G in verschiedenen Bereichen. In den USA hat Verizon kürzlich den Wettbewerb „Built on 5G Challenge“ für Industrie 4.0, immersive Verbraucheranwendungen (VR / AR) und bahnbrechende Ideen (Änderung unseres Lebensstils und unserer Arbeit) angekündigt . Der Wettbewerb ist offen für in den USA registrierte Kleinunternehmen. Bewerbungen sind bis zum 15. Juli möglich. Preispool - 1 Mio. USD. Die Gewinner werden im Oktober dieses Jahres bekannt gegeben.

Beschäftigung Neben den vier großen Mobilfunkbetreibern planen in Russland mehrere Unternehmen, in naher Zukunft 5G einzusetzen. Das Geschäftsmodell des führenden Anbieters von Inhaltslieferungen in Russland und der GUS, CDNVideo, ist eine Gebühr für die Menge des empfangenen Datenverkehrs. Durch die Verwendung von 5G, die möglicherweise diesen Preis senkt, kann das Unternehmen die Kosten senken. Das Unternehmen PlayKey fördert Spiele in der Cloud. Es ist nicht verwunderlich, dass es auch die Verwendung von 5G plant.

Open Source wird wahrscheinlich eine Schlüsselrolle in der Infrastruktur spielen. Die American Open Networking Foundation unterstützt 5G. Die European OpenAirInterface Software Alliance vereint diejenigen, die die proprietären 5G-Infrastrukturkomponenten umgehen möchten. Zu den strategischen Anweisungen gehört die Unterstützung von 5G-Modems und softwaredefinierten Systemen, heterogenen Netzwerken und dem Internet der Dinge. Die O-RAN Alliance virtualisiert Funkzugangsnetzwerke. Die Kernnetzwerkimplementierung ist bei Open5GCore erhältlich .

Autoren:

Stanislav Polonsky - Leiter Advanced Research and Development, Samsung Research Center

Tatyana Volkova - Autorin des Lehrplans des Samsung-Projekts der IoT Academy, Spezialistin für Programme zur sozialen Verantwortung von Unternehmen am Samsung Research Center