5G

Как и предыдущие стандарты, сети 5G являются мобильными, где зона обслуживания сети разделена на небольшие географические области — яче́йки. Все беспроводные устройства 5G в одной ячейке подключаются к интернету и телефонной сети с помощью радиоволн, излучаемых локальным передатчиком в этой ячейке. Главным преимуществом новых сетей является увеличенная пропускная способность, что обеспечивает более высокую скорость загрузки данных — в отдельных случаях она достигает 10 Гбит/с^[2]. Благодаря увеличенной пропускной способности ожидается, что сети 5G будут использоваться не только для телефонов, как предыдущие стандарты, но и станут универсальными интернет-провайдерами — например, для ноутбуков и настольных компьютеров, конкурируя с традиционными провайдерами, такими как кабельный интернет. 5G также откроет новые возможности в области интернета вещей (IoT) и машинного обмена данными (M2M). Для использования сетей 5G требуются специальные устройства; оборудование предыдущих поколений (например, 4G) не совместимо с 5G.

Рост скорости в 5G достигается, в частности, за счёт внедрения радиоволн более высокой частоты, чем в прежних стандартах^[1]. Однако такие волны имеют меньший радиус действия, поэтому для покрытия необходимы меньшие ячейки. Для широкого охвата 5G использует три диапазона частот: низкий, средний и высокий^[1][3]. Каждая зона сети обслуживается антеннами определённого типа; выбор типа антенны — это компромисс между скоростью соединения и радиусом действия (размером покрываемой области).

5G низкочастотного диапазона использует диапазон 600–700 МГц, аналогичный 4G, и обеспечивает немного более высокую скорость загрузки — 30–250 Мбит/с^[3]. Башни таких антенн по площади покрытия близки к 4G-мачтам. 5G среднего диапазона работает на частотах 2,5–3,7 ГГц (микроволны), обеспечивая скорости 100–900 Мбит/с и радиус действия башни — до нескольких километров. Такой уровень доступности — наибольший по распространённости и внедряется в большинстве мегаполисов. 5G в высокочастотном диапазоне — 25–39 ГГц (нижняя часть миллиметрового диапазона) — способен на скорости до нескольких Гбит/с (сравнимо с кабельным интернетом), но покрывает только небольшие зоны и требует множества малых ячеек^[4]. Такие антенны с трудом «пробивают» стены и окна, поэтому сеть 5G mmWave выгодно раскладывать в густонаселённых районах, стадионах и подобных местах. Приведённые выше скорости достигнуты в реальных тестах 2020 года и, как ожидается, будут расти по мере массового внедрения 5G^[3].

Промышленный консорциум по стандартизации 5G — 3rd Generation Partnership Project (3GPP)^[1]. Всякое оборудование, использующее программное обеспечение 5G NR (New Radio), считается 5G «пятое поколение», что получило широкое распространение с конца 2018 года. Минимальные требования к скорости и другим параметрам зафиксированы в документах Международного союза электросвязи (ITU). Изначально некоторые рассматривали термин «5G» только для сетей со скоростями загрузки не менее 20 Гбит/с — требования спецификации IMT-2020 ITU.

Сети 5G — это цифровые мобильные сети, зона покрытия в них традиционно разделена на ячейки. Аналоговые сигналы преобразуются в устройстве в цифровую форму, передаются как поток битов. Внутри одной ячейки все 5G-устройства обмениваются данными через локальные маломощные антенны и трансиверы, которым центральная станция выделяет радиочастотный канал. Антенны соединяются с телефонной сетью и интернетом через выделенные оптоволоконные или радиорелейные магистрали. По мере перемещения устройства между ячейками оно автоматически переключается на новую ячейку. 5G поддерживает до миллиона устройств на квадратный километр, что в 10 раз выше, чем 4G^[5][6]. Многие устройства 5G поддерживают также 4G (LTE), поскольку новый стандарт обычно сначала подключается через 4G-ядро или в зонах, где 5G недоступен^[7].

Операторы сетей используют миллиметровые волны для увеличения ёмкости и пропускной способности^[8]. Миллиметровые волны хуже проходят через препятствия и стены помещений^[9]. Размер антенн у таких базовых станций — всего несколько сантиметров.

Внедрение массового MIMO (массивы из десятков или сотен антенн) началось в сетях LTE ещё в 2016 году — каждое ячеистое устройство использует от 32 до 128 малых антенн, позволяя повысить производительность и пропускную способность в 4–10 раз^[10]. С помощью технологии beamforming (формирование направленного луча) базовая станция вычисляет оптимальный маршрут для радио волн к каждому устройству и организует координированную работу антенн для передачи сигналов.