5G
Пятое поколение мобильной связи

Необходимость перехода к 5G

Расходы на пропуск всё возрастающего трафика по сетям операторов связи по состоянию на 2019 год не покрывается доходами от традиционных услуг. Поиск новых услуг, т.н. «killer application» традиционных телеком-платформ обычно не даёт ожидаемых результатов.

Между тем, основной рост трафика и доходов происходит не в секторе устройств людей, а в секторе устройств интернета вещей, который является одной из базовых целей функционала 5G.

Поэтому, сети 5G можно считать одной из необходимых составных частей цифровой трансформации и цифровой экономики.

Мы видим, что США и Китай стремительно лидируют в 5G. Швейцария также рвётся вперёд, Австралия, Япония, Корея уже делают ранние проекты 5G. Я думаю, правительства этих стран понимают, что 5G действительно является важной национальной инфраструктурой, - отметил СЕО компании Ericsson Борье Эркхольм (Borje Ekholm).

Стандартизация 5G

Стандартизация технологий и решений 5G должна завершиться к 2021 году, поэтому термином 5G пока обозначаются лишь фрагментарные решения, которые в будущем войдут в состав полномасштабного решения IMT2020. Такие решения уже разворачиваются в разных странах, однако они пока носят локальный и тестовый характер, и не предоставляют весь планируемый функционал сетей стандарта IMT2020.

Основные стандартизирующие организации 5G

По состоянию на 2019 год:

3GPP (3rd Generation Partnership Project) - альянс из семи организаций, разрабатывающих различные стандарты телекоммуникаций, в которые, в свою очередь входят другие партнёры. Задача 3GPP – формулировка технических требований, оценка предложений, и окончательное принятие стандартов. В середине 2017 года был принята версия общего стандарта Release 15, в настоящее время разрабатывается Release 16, которая будет принята в 2019 г. Кроме разработки общей архитектуры, 3GPP также разрабатывает стандарты радио-технологий 5G New Radio (NR) для новых частотных диапазонов, выделяемых под 5G.

ETSI (European Telecommunication Standard Institute), Европейский институт телекоммуникационных стандартов, который является членом 3GPP, и наиболее активно работает в области разработки стандартов 5G.

IETF (Internet Engineering Task Force) разрабатывает решения модернизации IP-протокола для поддержки виртуализации сетевых функций NFV (Network Fucntion Vitrualization). Например, IETF разработала технологию сцепки функций сервисов SFC (Service Function Chaining), которая комбинирует виртуализированные компоненты архитектуры 5G, например, базовые станции, шлюзы услуг и пакетов данных в едином маршруте. Это позволяет динамическое создание и сцепку виртуальных сетевых функций VNF (Virtual Network Functions). IETF работает в тесном взаимодействии с 3GPP.

ITU (International Telecommunication Union) – агентство ООН, расположенное в Женеве, которое занимается стандартизацией широкого спектра телекоммуникационных технологий. В частности, оно координирует работу по совместному использованию спектра радиочастот, в т.ч. для сетей 5G.

Кроме этих трёх основных координирующих организаций, есть ряд других, в которых ведётся планомерная практическая работа по разработке стандартов IMT2020 (5G).

5GPPP (5G Infrastructure Public Private Partnership), считается одним из ведущих партнёрств по стандартизации 5G. Организация ставит амбициозные цели по разработке требований к сети 5G, например, увлечение ёмкости сети в 1000 раз, снижение энергопотребления пользовательских устройств на 90%, существенное сокращение времени создания новых сервисов и услуг, полное и безопасное сетевое покрытие и с пренебрежимо малой задержкой передачи данных, и пр.

NGMN (Next Generation Mobile Networks) Alliance. Альянс мобильных сетей следующего поколения занимается стандартизацией полного спектра решений 5G. В альянс входит руководство ведущих американских операторов: AT&T, U.S. Cellular и Verizon.

Кроме указанных, существуют отраслевые и региональные организации, такие как 5G Americas, Small Cell Forum, которые также вносят большой вклад в разработку и стандартизацию решений 5G.

Большой вклад в разработку стандартов вносят также и крупные операторы связи, такие как AT&T, Verizon и др. Они координируют свою работу с ETSI и ITU, но иногда опережают эти организации. Поэтому решения этих операторов часто ложатся в основу стандартов ETSI и ITU.

Цель создания и назначение сетей 5G

Сети мобильной связи предыдущих поколений имели следующие назначения и функционал:

• 1G: Услуги передачи речи по аналоговой сети
• 2G: Услуги передачи речи по цифровой сети, низкоскоростные услуги передачи данных (GPRS, EDGE)
• 3G: Высокоскоростные услуги передачи данных (HSPA), с возможностью передачи голоса по сети IP, мобильный доступ к интернет MBB (Mobile Broadband).
• 4G: Мобильный широкополосный доступ MBB на базе LTE, LTE-A, передача голоса (VoLTE)

Сети 5G значительно расширяют ограниченный функционал мобильных сетей предыдущих поколений. Основными функциональными особенностями сетей 5G являются следующие:

• Усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB (enhanced MBB)
• Сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой ULLRC (Ultra Low Latency Reliable Communication)
• Массивные межмашинные коммуникации Massive IoT/IIoT, мMTC (massive Machine Type Communication)

На основе этих трёх генерализованных видов функционала строится всё многообразие услуг и возможностей сетей IMT2020 (5G), наиболее характерные из которых показные на рисунке ниже:

Гигабайты в секунду. Сети 5G способны значительно повысить скорость передачи данных через различные технологии радиодоступа (RAT), и при помощи задействования новых спектров радиочастот 5G NR (New Radio). Пользователь получает практически неограниченную полосу пропускания, как для домашнего использования различных сервисов, так и для целей предприятий (Immersive Telepresence, Industrial IoT и пр.)

Умный дом. Целый спектр различных сервисов интернета вещей (IoT) будет доступен для решения «Умный дом» (Smart Home) и «Умное здание» (Smart Building): видеонаблюдение, управление и автоматизация бытовой техники, управление системами безопасности, хранилища контента, климатика и пр.

Умный город. Решение «Умный город» — это горизонтальное и вертикальное масштабирование функционала и спектра сервисов «Умного дома». Основные сервисы «Умного города»: Безопасный город, электронное правительство e-Government, электронное здравоохранение e-Health, электронное образование e-Education, электронный банкинг e-Bank, электронный сбор показаний ЖКХ Smart Meters, «умные электросети» Smart Grid, и пр.

Новые видеоуслуги 4К/8К: Объёмное видео, экран сверхвысокой чёткости (UHD), возможность эффекта присутствия.

Работа в облаке. Сервис даёт возможность не только хранить данные в облачном хранилище и извлекать их оттуда, но и использовать прикладные программы, которые работают непосредственно из облака. Причем, с возможностью их использования на любом устройстве и из любого местоположения. Кроме того, имеется возможность использования интерфейсов прикладного программирования API, через которые облачные сервис-провайдеры могут предоставлять свои услуги абонентам оператора сети 5G.

Дополненная и виртуальная реальность (AR/VR). Сервис виртуальной реальности VR (Virtual Reality) погружает человека в иной мир, воздействуя на его органы чувств, прежде всего зрение (VR-очки). Сервис дополненной реальности AR (Augmented Reality) комбинирует для пользователя реальную среду с виртуальными предметами. Эти сервисы пригодны не только для развлечения, игр, виртуального общения в режиме «телеприсутствия», но также могут существенно улучшить процесс обучения, когда студенты при помощи VR-очков могут, например, наглядно видеть внутреннее строение человека на лекции по анатомии, мастер в цехе может изучить порядок сборки сложного агрегата и пр.

Промышленная автоматизация. Сеть 5G, вкупе с технологией интернета вещей IoT, при помощи промышленных датчиков IIoT (Industrial Internet of things), а также при помощи искусственного интеллекта ИИ (AI, Artificial Intelligence) способны существенно повысить степень автоматизации производства. При этом становится возможным в режиме реального времени анализировать большие объёмы разнородных данных (Big Data) и на основе полученных выводов (insights) и с использованием машинного и глубокого обучения (Machine learning, Deep learning).

Бизнес-критичные приложения (Mission Critical Applications). К этим приложениям могут относиться, например, электронная медицина (e-Health), связь при чрезвычайных ситуациях (Mission Critical Communication), тактильный интернет (Tactile Internet) и другие.

Беспилотный транспорт (Driverless Vehicles). Беспилотный транспорт может выступать как часть услуги «Умный город», однако, может предоставляться на собственной платформе. В него входят не только беспилотные автомобили (driverless cars), но также и беспилотные тракторы для «умного сельского хозяйства» (Smart Agriculture), беспилотные поезда для метро и пригородных железных дорог, дроны и другие виды общественного и специального транспорта. Кроме того, на платформе 5G возможна реализация систем помощи водителю ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems).

Следует подчеркнуть, что на рисунке выше показаны лишь некоторые услуги и решения платформы 5G. В отличие от сетей предыдущих поколений, спектр услуг которых был жёстко ограничен и несколько расширен в 4G, услуги платформы 5G носят синергетический и масштабируемый характер, и не ограничены однажды заданным функционалом. Фактически, 5G играет роль платформы для режима разработки новых услуг и приложений DevOps, когда новые функции создаются разработчиками (Development) в тесной координации с командами, которые отвечают за их внедрение и эксплуатацию (Operation).

В целом, можно сказать, что сеть 5G вбирает в себя не только мобильные, но также и фиксированные услуги связи, а также высокоскоростной доступ в интернет с малой задержкой (см. рис. ниже), и, кроме того, специализированные и корпоративные сети для вертикальных отраслей экономики.

За счет сетей пятого поколения также можно будет улучшить качество использования уже существующих сервисов, где задействованы большие объемы трафика.

Теодор Сайзер (Theodore Sizer), вице-президент по разработке беспроводных технологий в Bell Labs отмечал, что в сетях 5G будет работать множество самых разнообразных устройств. Смартфоны и планшеты никуда не денутся, но, помимо них, в сети появится целый «зоопарк» различных устройств, включая камеры видеонаблюдения, погодные датчики, датчики «умных» электрических сетей, «умные» дома и автомобили.

В Ericsson заявляли, что 5G положит начало долгосрочному развитию «Сетевого общества» (Networked Society):

Мы находимся на пороге невероятной революции, которая навсегда изменит наш мир. В этом новом мире каждый человек, каждое устройство, вне зависимости от того, где они находятся, будут обмениваться информацией в режиме реального времени. В течение следующих 10 лет наше общество претерпит больше изменений, чем за последние 100 лет. И это только начало.

Число устройств, взаимодействующих с интернетом и между собой, постоянно увеличивается. Необходимы более совершенные сети, способные обеспечить это взаимодействие максимально эффективным образом. Сети нового поколения открывают новые возможности во многих областях - от повышения эффективности производственных процессов, повышения безопасности на дорогах и в городе в целом до улучшением коммунальных сервисов и более чистой окружающей среды, - отмечал Джон Хили, представитель подразделения Communication & Storage Infrastructure Group в Intel.

Южнокорейский оператор SK Telecom - одна из первых компаний, продемонстрировавшая в действии технологии 5G, на начальном этапе развертывания сетей нового поколения ориентируется на обычных пользователей как на основных потребителей услуг, рассказали TAdviser в феврале 2016 года представители компании. Благодаря 5G пользователи смогут смотреть 3D-телевидение без очков, скачивать за секунды или смотреть онлайн UltraHD видео на высокой скорости.

Также можно будет использовать на новом уровне приложения виртуальной и дополненной реальности, отмечают в SK Telecom. Например, включать элементы дополненной реальности в образовательный процесс, создавая виртуальные музеи и модели вселенной в классах.

В проектах «умных городов» 5G позволит в режиме реального времени передавать информацию с гораздо большего числа сенсоров на различных объектах. Старший директор Qualcomm по продуктовому менеджменту мобильных технологий Санджив Атали (Sanjeev Athalye) отмечает, что можно будет развернуть тысячу сенсоров вместо сотни, для обслуживания которых будет достаточно меньшего количества базовых станций, чем при существующих ныне сетях. Это могут быть, например, сенсоры мониторинга состояния объектов ЖКХ, сенсоры «умного освещения» или сенсоры звука, установленные в целях безопасности и соблюдения порядка в городе. В последнем случае сенсоры могут фиксировать подозрительные или слишком громкие звуки, и данная информация будет автоматически передаваться в службы охраны правопорядка.

Новые сервисы с использованием 5G могут быть реализованы и в медицине. Например, для организации удаленного мониторинга состояния пациентов. Врач сможет оперативно получать информацию со специальных сенсоров и следить за состоянием пациентов круглые сутки.

Благодаря очень низким задержкам передачи данных 5G также откроет больше возможностей для удаленного проведения операций с использованием робота. Такой сервис особенно актуален для небольших населенных пунктов, где нет хирургов на местах: управляя манипуляциями робота, операцию может провести специалист, находящийся в совершенно другом месте. За счет 5G такой сервис можно будет развернуть в беспроводных сетях.

Низкая задержка данных, которую способны обеспечить сети нового поколения, важна и для развертывания «умных» сетей электропередач. Использование датчиков позволит мгновенно обнаруживать повреждения на линии электропередач и блокировать распространение последствий повреждения дальше по линии. Таким образом, повреждение затронет меньшее число потребителей электроэнергии.

В крупных производственных компаниях, в ритейле, логистике 5G даст возможность использовать больше промышленных роботов, выполняющих различные функции вместо людей, а также дронов. Последние уже сейчас используются на некоторых производствах, но чаще всего управляются с использованием сетей Wi-Fi. 5G позволит охватить большую дистанцию, чем сети Wi-Fi, а благодаря низким задержкам – повысить стабильность работы таких систем. Проект развертывания системы доставки товаров с помощью дронов есть, например, у Amazon.

В пример сервисов, для которых будет иметь преимущество 5G, можно привести и городские системы видеонаблюдения. 5G поможет упростить их развертывание и использование. Сейчас трафик с тысяч камер в городах, в основном, передается по фиксированным сетям. Развернуть такую инфраструктуру – непростая задача, поскольку требуется уложить множество проводов. С помощью 5G можно будет получать терабайты видео высокого разрешения без использования проводов.

Еще один пример - сервис мониторинга транспорта в компаниях. Санджив Атали из Qualcomm полагает, что с появлением сетей нового поколения операторы, выступающие провайдерами такого сервиса, смогу снизить его стоимость. Это станет возможным за счет того, что стоимость одной базовой станции 5G будет ниже стоимости станций для существующих сетей, а также за счет того, что одна базовая станция сможет одновременно обслуживать большее количество устройств, соответственно, для сервиса потребуется меньше базовых станций.

Практические преимущества 5G

Платформа сети 5G предоставляет для операторов значительные преимущества, выражающиеся прежде всего, в расширении функциональных возможностях и характеристик сети (performance) и повышении удовлетворённости пользователей (User Experience). На рисунке ниже показаны основные параметры сети IMT2020 (5G), по сравнению с показателями IMT-Advanced (4G), которые позволяют этого достичь.

Пиковая скорость: сеть 5G обеспечивает в 20 раз бòльшую скорость по сравнению с 4G, то есть, около 20 Гбит/с.

Скорость на пользователя (средняя) при этом может достигать 100 Мбит/с и более.

Эффективность использования спектра, количество информации, которую можно передать на единицу частотного диапазона, в сети 5G будет по крайней мере в 3 раза выше, чем в 4G.

Мобильность пользователя, скорость, с которой может перемещаться пользователь с терминалом 5G по площади покрытия сети без потери хендовера между базовыми станциями, в сети 5G достигает 500 км/час, что даёт возможность пользоваться услугами 5G в скоростных поездах.

Задержка в сети 5G снижается до 1 мс и менее, в то время как в сети 4G можно достичь минимум 10-миллисекундной задержки. Это позволяет использовать технологию 5G для критичных коммуникаций и видеонаблюдения, услуг тактильного интернета, AR/VR и пр.

Плотность терминалов в сети 5G повышается на порядок и может достигать нескольких миллионов устройств на 1 кв. км, то есть, на 1 квадратном метре поверхности могут располагаться несколько десятков или даже сотен миниатюрных устройств (например, сенсоров IoT).

Энергоэффективность сети 5G на порядок лучше, чем в сети предыдущего поколения.

Ёмкость трафика на единицу площади, то есть скорость передачи данных квадратный метр площади покрытия сети, в 5G на два порядка выше, чем в сети 4G.

На рисунке ниже показаны соотношения по степени важности для основного функционала 5G (усовершенствованный мобильный широкополосный доступ eMBB, сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой, массивные межмашинные коммуникации) параметров сети 5G, показанных на предыдущем рисунке.

Инновационное применение 5G в областях

• Объекты системы «умного» здравоохранения на основе 5G для борьбы с последствиями чрезвычайных ситуаций в сфере общественного здравоохранения;
• Частные виртуальные сети предприятий на основе 5G, ориентированные на интернет и совместное производство;
• Широкомасштабное применение новых технологий 5G в интеллектуальных сетях энергоснабжения (Smart Grid);
• Широкомасштабное тестирование и внедрение синергетических транспортных систем (вида «машина-дорога») на базе 5G;
• Приложения, демонстрирующие возможности применения технологии 5G в сфере «умного образования»;
• Создание системы «умный порт» на основе 5G;
• Создание на основе 5G инфраструктуры для телепроизводства и вещания в формате 4K / 8K UHD.

5G в эволюции автомобилей

Основная статья Vehicle-to-Everytning (V2X)

Интернет транспортных средств (IoV) — один из сформировавшихся сценариев применения 5G в вертикальной индустрии. Согласно статистике, в 2020 г. мировой рынок C-V2X (коммуникации автомобиля с другими объектами по сотовой связи) превысит $86,7 млрд. Другой сценарий применения с признанным потенциалом — интеллектуальный интернет вещей в комбинации с сетями 5G (5G+AIoT). В эпоху 5G объем данных резко увеличивается, а нагрузка на облачные вычисления резко возрастает. Корпоративным клиентам необходимо переносить вычислительные мощности на периферию сети. Поэтому им нужны интеллектуальные терминалы, которые могут гибко адаптироваться к различным сценариям. Такими решениями могут быть комбинации вида «интеллектуальное оборудование для 5G + отраслевое решение на основе интеллектуального интернета вещей». Последний в таком случае может использоваться для определения сценариев, периферийных вычислений и конвергенции данных из разных каналов (датчиков) с целью реализации цифровой, сетевой и интеллектуальной инфраструктуры в таких сферах, как телекоммуникации, государственное управление, электроэнергетика и промышленность^[1].

5G-решения для Индустрии 4.0

Основная статья 5G-решения для Индустрии 4.0

Частоты

Частоты для 5G в России

Основная статья: Частоты для 5G в России

2019: Проблемы с наличием свободных частот

По состоянию на 2019 год 5G предполагается использовать в различных спектрах радиочастот. Однако, в диапазоне до 6 ГГц, в том числе выделенного под Wi-Fi диапазона 5 ГГц, пока существуют серьёзные проблемы с наличием свободных частот. Выделение частот для 5G в спектре до 6 ГГц уже согласовано на Всемирной конференции радиосвязи ВКР (WRC-15, World radiocommunication conference) в 2015 году. Диапазоны более высоких частот будут распределяться на ВКР-19 в 2019 году^[2].

Применение низкочастотных участков спектра для сетей 5G позволяет достичь оптимального покрытия сети без массивных инвестиций в развитие сетевой инфраструктуры.

Низкие частоты обеспечивают хорошее проникновение радиоволн в помещения, что очень важно для IoT. В особенности, важен диапазон 700 МГц, предназначенный для систем связи М2М, «умного города» и «умных домов». Для особо надёжного подключения таких объектов, как, например, самоуправляемые автомобили, роботы, промышленная автоматизация, могут использоваться диапазоны 3,4-3,8 ГГц. Предполагается, что в эпоху 5G операторам будут выделяться сплошные частотные полосы по 300-400 МГц.

Высокочастотный спектр необходим сетям 5G для достижения скорости передачи данных до 20 Гбит/с, в частности, для предоставления услуг 3D-видео в формате UHD, AR/VR, облачные сервисы для работы и игр, голографическая связь, тактильный интернет и пр. В частности, для этого рассматривается возможность использования диапазонов 24,25-27,5 ГГц и 37-43,5 ГГц.

На рисунке ниже показано планируемое распределение низкочастотного спектра 5G в различных странах и регионах мира согласно WRC-15.

По данным НИИ Радио (НИИР) и Союза ЛТЕ-операторов, выделение частот 5G для России будет определяться назначением частотных диапазонов.

Патенты на технологии 5G

Исследование «Ростелекома» и Проектного офиса ФИПС (декабрь 2020 г), изучивших патентный ландшафт 5G/6G, показывает, что в это время существует более 29 000 патентных семейств, относящихся к 5G и только 29 патентных семейств – относящихся непосредственно к 6G (еще в 1150 шестое поколение упоминается).

За последние годы, возможно из-за шумихи вокруг конфликта США и Huawei, как-то принято стало считать, что Huawei – лидер по патентам в области 5G. И это в самом деле так – у нее 4448 патентных документов (патентов и заявок на них), тогда как у следующих за ней американской Qualcomm и корейской Samsung – почти вдвое меньше. Но есть несколько НО!

Во-первых, если смотреть на ключевые патенты, существенные для стандартов (SEP), без которых невозможно вывести на рынок оборудование 5G, то лидерство уже не у Huawei (она на четвертом месте), и даже не у Qualcomm (пятое место), а у Samsung (523 патентных семейства). Эти SEP-патенты авторы называют «золотыми шахтами роялти», имея в виду возможность сверхприбылей на продаже лицензий на них. Во-вторых, собственно патентов у Huawei пока меньше, чем у Qualcomm или Samsung.

Среди российских организаций, имеющих патенты на технологии 5G исследователи выявили только одну – это Институт проблем передачи информации им. А.А.Харкевича Российской Академии Наук.

Выделенные сети 5G

Основная статья: Выделенные сотовые сети

Технологии 5G New Radio (5G NR)

Для того, чтобы удовлетворить всё возрастающие требования к мобильной связи, для 5G были разработаны технологии, объединённые под общим названием «новое радио 5G», 5G New Radio (5G NR). По сравнению с радио-интерфейсом в сетях 4G, 5G NR имеет несколько важных преимуществ.

Разработка 5G NR велась практически «с ноля», с учётом требований к сетям 5G и с применением лучших технологий, которые будут доступны к моменту полномасштабного развёртывания сетей 5G. Таким образом, в 5G NR используются новейшие технологии модуляции, образования форм волн (waveforms) и технологий радиодоступа RAT (Radio Access Technology), которые, в т.ч., будут обеспечивать высокую скорость передачи данных и удлинение срока службы батарей пользовательских устройств 5G.

Основные требования стандарта 3GPP. Источник: ITU, Nokia, Qualcomm

Предварительные требования к технологии 5G NR появились в стандарте 3GPP Release 15, утверждённом в декабре 2017, и ожидается, что окончательный вариант будет утверждён в декабре 2019 г.

Основные отличительные особенности радио-технологии 5G NR – следующие:

Добавление новых диапазонов радио-спектра, согласно требованиям к скорости передачи сигналов, числа устройств, роста трафика многочисленных приложений 5G. Новые диапазоны 5G NR лежат в пределах от 2,5 до 40 ГГц. Ведутся обсуждения об использовании спектра до 100 ГГц.

Оптимизированная технология OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Эта технология уже была успешно применена в 4G/LTE-A, а также в последних версиях Wi-Fi.

Формирование лучей (Beamforming). Это технология, которая лишь в последние годы перешла от концепции к реализации, и которая способна реализовать многие преимущества 5G. Beamforming даёт возможность направлять луч радиоволн от базовой станции на определённые устройства, как движущиеся, так и неподвижные, без влияния на другие лучи, направленные на те же устройства.

MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO – Метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, который уже применялся в Wi-Fi и 4G, в 5G был значительно усовершенствован, в частности, в многопользовательском режиме MU-MIMO (Multi-User- MIMO) в базовых станциях 5G gNnodeB (gNB), антенны которых состоят из матрицы излучающих элементов. Это даёт возможность усиливать уровень сигнала для конкретного пользователя, в то же время минимизируя влияние данного сигнала на других пользователей.

Технологии совместного использования спектра (Spectrum sharing). Многие спектры радиочастот, соответствующим образом распределённые, часто не используются эффективно. Для решения этой задачи были разработаны технологии Spectrum sharing.

Унифицированное межчастотное взаимодействие (Unified design across frequencies). Поскольку в 5G NR добавлено множество новых частотных диапазонов, важно обеспечить интерфейс взаимодействия при переходе канала с одной частоты на другую при хендовере между базовыми станциями.

Маленькие соты (Small cells). Уплотнение сетевого покрытия ведёт к тому, что число базовых станций должно увеличиваться. Поэтому было предложено решение Small Cells – решение недорогих, простых в установке и обслуживании базовых станций небольшой мощности. Их можно развешивать на мачтах уличного освещения, на стенах домов и других объектах. Сеть 5G способна эффективно координировать их работу, перераспределяя нагрузку между антеннами.

При этом можно использовать распределённые антенные системы DAS (Distributed Antenna System) фактически «закрывая» одной или несколькими базовыми станциями многоэтажные здания. Небольшие антенны с радио-блоками можно располагать практически в каждом помещении, обеспечивая наилучшее качество связи.

Единую инфраструктуру базовых станций и DAS могут использовать несколько операторов связи одновременно.

Архитектура опорной сети (Core Network) 5G

Особенность архитектуры сети 5G состоит в том, что традиционное понятие «архитектура сети», основанной на аппаратных решениях, в сети 5G теряет актуальность.

Поэтому 5G чаще называют не сетью, а системой, или «платформой», под которой имеется в виду платформа программная, а не аппаратная. Если сети 1/2/3/4G строились на базе аппаратных решений (оборудования), то платформа 5G строится на базе программных решений, в частности, программно-конфигурируемых сетей SDN (Software Defined Network), а также виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization).

Функции 5G реализуются в виртуальных программных функциях VNF (Virtual Network Function), которые работают в инфраструктуре NFV. Различие между этими похожими по звучанию понятиями состоит в том, что VNF – это функция, а NFV – это технология. В свою очередь, NFV реализуется в физической инфраструктуре дата-центров (data center, DC, центр обработки данных, ЦОД), на базе стандартного коммерческого оборудования COTS (Commercial Off The Shelf). Оборудование COTS включает лишь три вида стандартных, относительно недорогих устройств – сервер (вычислительное устройство), коммутатор (сетевое устройство) и система хранения данных (устройство хранения).

Таким образом, оборудование традиционных сетей мобильной связи заменяется на программные сущности, работающие в дата-центрах на стандартных серверах и виртуальных машинах VM (virtual machines).

Для реализации программных функций, кроме виртуальных машин, также будут использоваться программные контейнеры (containers), а также программная архитектура микросервисов (microservice).

Распределённая архитектура сети мобильного доступа D-RAN (Distributed RAN) в сетях 4G постепенно эволюционирует к централизованной архитектуре C-RAN (Centralized RAN).

В архитектуре 5G функции опорной сети реализуются в центральном облаке Central Cloud (Cloud RAN), на виртуальных машинах VM.

Важную роль в развитии сетей 5G будут играть также граничное облако (Edge Cloud), в частности, технология MEC (Mobile Edge Cloud), а также «туманное облако» (Fog Cloud).

Виртуализация сети на базе NFV/SDN необходима также для очень полезной функции 5G: логической сетевой нарезки (Network Slicing).

Технология Network Slicing позволяет на базе единого объёма (пула) сетевых ресурсов производить логическое разделение сетей для различных типов услуг 5G, которым требуются различные технологии радиодоступа RAT (Radio Access Technology), с различными характеристиками сред передачи данных. Это, например, услуги:

• Высококачественное видео UHD
• Голосовые услуги (5G Voice)
• Интернет вещей с большим количеством датчиков, сенсоров и исполнительных устройств (Massive IoT)
• Интернет вещей для критичных приложений, таких, например, как беспилотный транспорт (V2X), электронная медицина (Mission Critical IoT)
• и многие другие.

Все эти услуги, предоставляемые на базе технологии Network Slicing работают на единой физической инфраструктуре дата-центров центрального и граничного облака, а также «туманной» инфраструктуры (Fog Computing), необходимой для Massive IoT и промышленного интернета вещей IIoT (Industrial IoT).

Это даёт возможность многократного использования однажды созданной программно-аппаратной инфраструктуры, а также гибкое переназначение её наличных ресурсов. Кроме того, такой подход позволяет снизить не только капитальные затраты на строительство сети, но и операционные затраты на её обслуживание.

Нарезка сетевых ресурсов (Network Slicing)

В 5G используется такая концепция, как network slicing. Это, грубо говоря, нарезка сетевых ресурсов под разные типы трафика, причем для каждого слайса (буквально — куска сети) может использоваться своя технология передачи данных. Благодаря гибкости подхода можно удовлетворить самые разные и даже противоречивые требования пользователей разных типов. Для передачи веб-данных вполне подходит LTE — его нужно только немного доработать, повысить скорость.

Для передачи данных с маленькой задержкой будет использоваться специальный слайс, который называется ultra-reliable low latency communication. Он позволяет передавать данные с крайне низкой задержкой. Если в LTE минимальная длительность передачи одна миллисекунда, то здесь минимальная длительность передачи будет длиться доли миллисекунды, а надежность будет очень высокой, до 99,999%.

Отдельный слайс в рамках 5G отведен IoT. Он позволяет передавать данные большим числом устройств с низким энергопотреблением.

Кроме того, будет слайс для высокоскоростной передачи данных в миллиметровом диапазоне, то есть в диапазоне частот от 30 до 300 ГГц. Например, в привычном диапазоне 2–5 ГГц ширина используемого частотного канала, в котором передаются данные, относительно небольшая и составляет единицы, реже — десятки МГц. В диапазоне 40–70 ГГц доступного для использования спектра существенно больше, что позволит увеличить ширину частотного канала до сотен и тысяч МГц и более. Таким образом, миллиметровый диапазон — это практически «эквивалент бесконечности» для операторов (в смысле объема доступных канальных ресурсов). Проблема заключается в том, что приходится передавать данные только устройствам, которые находятся в прямой зоне видимости, иначе качество сигнала резко падает^[3].

В некотором смысле 5G станет «слоеным пирогом», совмещающим различные технологии, использование каждой из которых будет определяться в зависимости от требований конкретного пользователя.

СRAN, Cloud RAN, cloud-based RAN, Centralized RAN

Основная статья: СRAN, Cloud RAN, cloud-based RAN, Centralized RAN

Безопасность сетей 5G

2022: Ученые подтвердили опасность сети 5G

Ученые подтвердили опасность сети 5G. Об этом стало известно 10 августа 2022 года.

Уязвимости в API-интерфейсах сети 5G могут предоставить любому человеку личные данные пользователя и доступ к его IoT-устройству.

И эти уязвимости могут преследовать отрасль в долгосрочной перспективе.

Исследователь Берлинского технического университета Альтаф Шайк изучил API-интерфейсы, которые предлагают операторы, чтобы сделать возможности IoT доступными для разработчиков. Такие API уже используются в веб-сервисах, но не нашли применения в телекоммуникационной сфере. Изучив API-интерфейсы 5G-сети 10 операторов мобильной связи по всему миру, Шайк и его коллега Синдзё Пак обнаружили во всех них общие, широко известные уязвимости API.

Существует «сервисная IoT-платформа», где предоставляется доступ к API. Конструкции сервисных IoT-платформ не указаны в стандарте 5G, но каждый оператор связи должен создавать и развертывать их. Это означает, что их качество и реализация будут сильно различаться у каждой компании. В дополнение к 5G модернизированные 4G-сети также могут поддерживать расширение IoT, увеличивая количество операторов связи, предоставляющие сервисные IoT-платформы и API-интерфейсы.

Исследователи купили доступ к API-интерфейсу у 10 операторов и получили специальные SIM-карты для передачи данных только для своих сетей IoT-устройств. Так эксперты получили такой же доступ к платформе, как и у любого другого клиента.

Основные недостатки в настройке API, такие как слабая аутентификация или отсутствие контроля доступа, могут раскрыть идентификаторы и секретные ключи SIM-карт, личность покупателя SIM-карты, и его платежную информацию. Более того, исследователи могли получить доступ к данным других пользователей и их IoT-устройствам, которыми можно управлять и извлекать из них информацию.

По словам специалистов, большинство обнаруженных уязвимостей уже исправлены. Шайк добавил, что защищенность сервисных платформ у разных операторов отличается: некоторые платформы имеют надежную защиту, а другие практически не защищены. Группа не раскрывает названия компаний, но указала, что 7 поставщиков базируются в Европе, 2 — в США и 1 — в Азии.

Шайк добавил, что другие пользователи на платформе, к которым ученые смогли получить доступ, не обнаружили проникновение исследователей, что указывает на отсутствие мониторинга и гарантий безопасности^[4].

2021: Уязвимость в сетях 5G позволяет хакерам выводить их из строя и красть персональные данные абонентов

Сотовые сети пятого поколения (5G) могут быть опасными для тех, кто не хочет, чтобы за ним следили. В протоколе этих сетей выявлена уязвимость, позволяющая контролировать перемещения абонентов и даже выводить из строя целые сегменты таких сетей при помощи DoS-атак (denial of service, отказ в обслуживании). Об этом стало известно 29 марта 2021 года.

Данную проблему с 5G выявили специалисты ИБ-компании AdaptiveMobile. О ней они рассказали в своем отчете, в котором указали на виновника проблемы – протокола разделения сетей пятого поколения.

Использование механизма разделения сетей, известного как Network Slicing, позволяет операторам связи дробить свои 5G-сети, представляя их в виде отдельных «блоков» - виртуальных сетей, соединенных между собой. Каждый такой блок – это своего рода отдельная сотовая сеть, которую оператор может выделить под определенную сферу использования – автомобилестроение (автомобильные головные устройства, здравоохранение (умные медицинские приборы, телемедицина), критическая инфраструктура, развлечения и т. д.

Согласно отчету AdaptiveMobile, такая реализация сетей 5G далека от идеала по части сетевой безопасности. К примеру, злоумышленник может получить доступ к отдельному блоку 5G (к отдельной виртуальной сети), после чего он может попробовать пробиться через него и в другие блоки, включая те, которые предназначены для мобильных устройств, то есть для смартфонов.

Проникновение в этот блок может дать хакеру доступ к информации о персональных данных абонентов сети, включая их местоположение, историю платежей и т. д. Также он может запустить DoS-атаку на один или сразу несколько «соседних» блоков 5G-сетей.

Сотрудники AdaptiveMobile назвали обнаруженную в сетях 5G уязвимость фундаментальной. Они подчеркнули, что в первую очередь в опасности находятся корпоративные клиенты операторов связи. В то же время они отметили, что вероятность компрометации 5G-сетей с использованием недочетов в механизме Network Slicing на март 2021 года невысока. Это связано с тем, что лишь несколько операторов связи по всему миру дробят свои сети 5G на блоки. Но в будущем их количество может увеличиться

До публикации своего отчета эксперты AdaptiveMobile, выявившие уязвимость в 5G-сетях, сообщили о своей находке в ассоциацию GSM (GSMA), в которую на март 2021 года входят более 800 операторов связи по всему миру. Отдельно они уведомили о ней консорциум 3GPP (Third Generation Partnership Project), занимающийся разработкой спецификаций для мобильных сетей связи, в том числе и для сетей пятого поколения.

2018: Проблемы с протоколом Authentication and Key Agreement

По сообщению от 13 ноября 2018 года команда исследователей из Швейцарии, Франции и Великобритании выявила проблемы с протоколом безопасности 5G, известным как Authentication and Key Agreement (AKA). Недостатки были вскрыты благодаря использованию инструмента Tamarin, который считается наиболее эффективным для изучения криптографических протоколов. AKA представляет собой стандарт, к которому причастен разработчик коммуникационных протоколов 3rd Generation Partnership Project (3GPP).

Тот тип AKA, который связан с 5G, должен гарантировать, что устройство и сеть 5G способны аутентифицировать друг друга, поддерживая конфиденциальный обмен данными и сохраняя в секрете идентичность и местонахождение пользователя. Однако исследователи утверждают, что в нынешнем виде AKA может не выполнять этих функций, поскольку изложенные в нем требования недостаточно точны.

Команда исследователей выражает уверенность, что обеспечение безопасности 5G с помощью AKA будет более надежным, чем для сетевых протоколов 3G и 4G. Тем не менее, имеются недостатки. В частности, возможно обнаружение местонахождения телефона в определенном районе, хотя и без раскрытия идентичности владельца. Более того, из-за уязвимости AKA может ошибочно взиматься плата за использование сети 5G другим пользователем.

Исследователи рекомендуют внести ряд исправлений. Например, придать безопасности AKA необходимые свойства, которые сейчас отсутствуют, и модифицировать компонент подтверждения ключа. По их мнению, AKA не обеспечивает адекватной защиты личных данных от активных атакующих. Но исправить этот недостаток будет непросто.

Исследователи надеются привлечь 3GPP к работе над совершенствованием AKA и завершить ее прежде, чем начнется широкое распространение 5G.

Агентство Европейского Союза по сетевой и информационной безопасности (European Union Agency for Network and Information Security, ENISA) также выпустило доклад, в котором предупреждает, что выявленные недостатки протоколов сигнализации в сетях 2G, 3G и 4G могут возникнуть и в сетях 5G.

Исследования компании Ericsson показывают, что к 2023 г. может появиться 3,5 млрд. устройств интернета вещей (IoT).

Небезопасная сеть 5G представляет поле для все более распространенных атак благодаря своей высокой скорости, которая увеличивает количество доступных объектов атаки. Нетрудно представить себе, чем может обернуться массированная DDoS-атака на предприятие, использующее сенсоры IoT, подключенные к сети 5G.

Компания ARM, разрабатывающая архитектуру процессоров, создает набор ПО, который позволит устройствам IoT работать с чипами SIM-карт, что сделает их подобными смартфонам с тарифными планами на мобильную связь. Тогда отпадет необходимость подключать устройства IoT через Wi-Fi. Однако хакеры могут атаковать SIM-карты и приводить их в негодность. Они способны также при атаке SIM-карт распространять вредоносный код с помощью текстовых сообщений.

Пока рано говорить, будут ли хакеры использовать уязвимости SIM-карт, если они появятся в устройствах IoT, но такая возможность имеется. В любом случае очевидно, что возможности, которые предоставляет 5G, могут способствовать усилиям хакеров по организации все более разрушительных атак с использованием как уже известных, так и появляющихся методов.

5G не обязательно изменит факторы риска, которые мы имеем. Но экспоненциально увеличит векторы угроз и возможности, которыми смогут воспользоваться атакующие. 5G позволит компаниям подключать все больше и больше устройств с более высокой скоростью обмена информацией, благодаря чему больше данных будет потребляться за более короткое время, увеличивая тем самым возможности сети и потоки входящих и исходящих данных ЦОДа. Так что если у вас подключено больше устройств и больше потоки данных, у вас больше потенциальных уязвимостей, обусловленных ростом числа дополнительных векторов атаки. Становится как никогда важно иметь надлежащие средства мониторинга, возможность идентифицировать атаку, если преступник проник в сеть, и потенциал эффективного ответа и устранения любой потенциальной проблемы. В конце концов, вы по-прежнему ищите аномалии, которых просто станет больше. Так что возможность немедленно идентифицировать угрозу и реагировать на нее будет иметь решающее значение для минимизации риска. Том Лелли, вице-президент по продажам компании DataSpan[5]

Развитие сетей 5G в России

Основная статья: Развитие сетей 5G в России

Развитие сетей 5G в мире

• Основная статья: Развитие сетей 5G в мире
• Развитие 5G в США
• Развитие сетей 5G на Украине

6G (шестое поколение мобильной связи)

Основная статья: 6G (шестое поколение мобильной связи)

Связь

Примечания