Валерий Бутенко. Беспроводные технологии в инфраструктуре цифровой экономики

Цифровая трансформация ставит перед российским обществом амбициозную задачу создания в стране экономического уклада, основанного на широком использовании инфотелекоммуникационных технологий (ИКТ).

Переход к цифровой экономике в первую очередь предполагает адаптацию нормативной правовой базы к новым видам отношений, новым объектам и субъектам экономики, создание соответствующей информационной инфраструктуры, технологий и платформ, поддерживающих получение, хранение и обработку данных, которые создаются в условиях цифровой экономики, предоставление недискриминационного доступа к ним при условии соблюдения законных прав и интересов субъектов и владельцев этих данных, подготовку квалифицированных кадров, обеспечение информационной безопасности. Результатом таких изменений должны стать новые бизнес-процессы, максимально исключающие человеческий фактор из технологических схем и открывающие доступ к государственным, медицинским, торговым, финансовым и прочим услугам без необходимости физического обращения пользователей в соответствующие организации. Благодаря широкому использованию ИКТ человек получает новые возможности для реализации своих целей.

Инфраструктура цифровой экономики

Сегодня базовыми условиями создания цифровой экономики определяются современная безопасная информационно-коммуникационная инфраструктура и новая регуляторная среда, обеспечивающая благоприятный правовой режим для внедрения информационных технологий.

ИКТ-инфраструктура состоит из сетей связи, центров обработки данных, инфраструктуры пространственных данных. Цифровая трансформация просто невозможна без развитой ИКТ-инфраструктуры, которая в идеале позволит мгновенно или в реальном масштабе времени доставлять любые объемы информации в любую точку пространства в нужном для потребителя виде, а также обеспечивать ее хранение, обработку и защиту. Успех преобразований возможен только при опережающих темпах развития ИКТ-инфраструктуры, тогда как ее слабое развитие, высокие тарифы на услуги и оборудование будут тормозить цифровую трансформацию.

Для  формирования  ИКТ-инфраструктуры, отвечающей требованиям по скорости передачи данных, пропускной способности, надежности, территориальному охвату и безопасности, необходимо функционально объединить системы подвижной и фиксированной, наземной и спутниковой связи, чтобы они могли оперативно, повсеместно и постоянно поддерживать приложения цифровой экономики.

БУТЕНКО № 8 Рис.1.ред.
Рисунок 1. Основные направления развития услуг и радиоинтерфейсов в сетях 5G/IMT-2020

С точки зрения технологий цифровая экономика предполагает подключение к инфраструктуре гигантского количества разнообразных устройств интернета вещей (IoT). В большинстве случаев подключение «вещей» беспроводное, а значит, требует использования радиочастотного спектра и соответствующих стандартов. В результате такого подключения порождается новый вид трафика в инфокоммуникационной инфраструктуре, что, соответственно, выдвигает новые требования к телекоммуникационным сетям. Особенность этой системы состоит в том, что из-за необходимости подключения «вещей» число соединений значительно возрастает. При этом параметры отдельного соединения могут меняться в широких пределах: требуемая скорость передачи данных, например, будет варьироваться от десятков байт до десятков мегабайт в секунду, допустимая задержка в сети – от единиц секунд до единиц миллисекунд, а требования к допустимой вероятности ошибок передачи данных – от 10-3 до 10.-9

Сеть связи для IoT должна быть гибкой и экономически эффективной, чтобы обеспечивать подключение миллионов устройств IoT, генерирующих различные виды трафика с характеристиками, изменяющимися в широких пределах. На решение задачи построения такой сети нацелены многочисленные разработки стандартов беспроводной передачи данных.

Стандартизация беспроводного подключения к ИКТ- инфраструктуре

Ключевым стандартом для подключения устройств IoT и формирования инфраструктуры цифровой экономики обещает стать IMT-2020 – так называемое семейство стандартов сетей 5-го поколения. Глобальные стандарты (рекомендации) для информационной инфраструктуры цифровой экономики принимает Международный союз электросвязи (МСЭ). Эта задача возложена на исследовательские комиссии: ИК5 МСЭ-R, ИК11 МСЭ-T и ИК20 МСЭ-T. К 2015 году были разработаны и утверждены технические отчеты и спецификации по «умным», устойчивым городам и системам IMT. Однако разработка необходимых документов еще не завершена. В 2017 году сформулированы лишь требования к системам IMT-2020.

До появления стандартов 5G существующие стандарты беспроводной передачи данных будут адаптированы или вновь переработаны под ограниченный набор требований. Приложения IoT могут носить критический характер (если они связаны, например, с обеспечением безопасности жизни) и некритический, а также должны обеспечивать подключение в локальном, региональном и глобальном масштабе. Все это создает предпосылки для появления разнообразных стандартов, каждый из которых обеспечит выполнение требований IoT к сетям связи в условиях применения конкретных приложений.

БУТЕНКО № 8 Рис.2
Рисунок 2. ОтIMT-Advanced кIMT-2020: расширение ключевых возможностей

В пределах ограниченной территории или даже в одном помещении подключение устройств IoT успешно осуществляется посредством ранее разработанных радиоинтерфейсов  Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee и их многочисленных аналогов, работающих в диапазонах радиочастот 430 и 870 МГц, 2,4 и 5 ГГц. Сети, построенные на базе этих стандартов, известны под названием маломощных локальных сетей (Low Power Local Area, LPLA Networks). Для расширения зоны их действия и обеспечения передачи данных в «облако» используются различные шлюзы. Очевидно, что такие радиоинтерфейсы не позволяют полностью выполнить требования, которые предъявляются всеми применениями IoT, например, к надежности связи, однако открывают возможности для реализации целого ряда функций IoT и решения задач цифровой экономики в пределах ограниченной территории.

Для обеспечения покрытия больших территорий под требования IoT адаптируются современные стандарты подвижной связи, а также разрабатываются новые стандарты. В частности, Консорциум 3GPP завершил в 2016 году разработку Release 13, который направлен на реализацию требований интернета вещей и создание глобальной экосистемы IoT. В настоящее время можно выделить три стандарта этого класса: EC-GSM, eMTC (другое название – LTE-M) и NB-IoT.

Стандарт 5-го поколения в соответствии с Рекомендацией МСЭ-R  M.2083 «Концепция IMT  – Основы и общие задачи будущего развития IMT на период до 2020 года и далее» предполагает развитие услуг и радио-интерфейсов в трех крупных направлениях (рис. 1):

  • приложения, требующие высокой надежности и малой задержки;
  • массовые межмашинные  коммуникации (M2M);
  • расширенный мобильный  широкополосный доступ (MBB).

Параллельно данным направлениям происходит и развитие новых радиоинтерфейсов, формируются требования к сетям IMT-2020.

Согласно этим требованиям система IMT-2020 должна поддерживать практическую скорость передачи данных пользователя от 100 Мбит/с (downlink)/50 Мбит/с (uplink) вплоть до 1 Гбит/с и выше во всей зоне обслуживания. При этом максимальная скорость передачи данных порядка 20 Гбит/с будет доступна только при малой мобильности в ограниченной зоне обслуживания. Для поддержки услуг с очень малыми задержками система IMT-2020 должна обеспечивать эфирную задержку связи не более 1–4 мс в зависимости от сценария использования. В дополнение к обычной связи «человек-человек» или «человек-машина» система IMT-2020 реализует потенциал IoT путем подключения широкого спектра интеллектуальных приборов, машин и других объектов, работающих без вмешательства человека, поэтому необходимо поддерживать плотность подключений до1 млн/км 2. Чтобы сделать будущие системы IMT экономически устойчивыми и доступными по цене, заявленные возможности должны быть обеспечены без чрезмерных затрат на сетевое оборудование, развертывание сети и энергопотребление. На рис. 2 дано сравнение ключевых возможностей IMT-2020 и IMT-Advanced [Отчет M.[IMT-2020.TECH PERF REQ]].

БУТЕНКО № 8 Рис.з
Рисунок 3. Многообразие радиоинтерфейсов5G/IMT-2020

Рис. 3 иллюстрирует ситуацию с существующими и разрабатываемыми радиоинтерфейсами в привязке к решаемым задачам. Здесь также показаны (вне контура 5G/IMT-2020) радиоинтерфейсы, которые формально не входят в сети 5G/IMT-2020, но иногда трактуются как составная часть общей сетевой инфраструктуры.

Частоты для IMT-2020

В рамках понятия IMT-2020 можно выделить три основные категории сетей в соответствии с потребностями в радиочастотном ресурсе:

  1. Сети связи стандарта LTE-Advanced Pro (стандарт разработан в 2016 году Партнерским проектом 3GPP, описан в спецификациях LTE, начиная с Release 13). Их планируется внедрять в полосах радиочастот, уже идентифицированных на всемирных конференциях радиосвязи (ВКР) для IMT в диапазоне ниже 6 ГГц. Причем по целевому назначению данная категория сетей семейства стандартов IMT-2020 охватывает сети связи общего пользования, сети связи для обеспечения общественной безопасности PPDR (стандарт LTE PPDR-Mission Critical), интеллектуальные транспортные системы ITS (стандарт LTE V2X) и сети связи межмашинного обмена информацией и интернета вещей M2M/IoT (стандарт NB-IoT).
  2. Сети связи стандарта New Radio в диапазоне ниже 6 ГГц (разработка стандарта ведется в рамках 3GPP, завершение – 2018 год). Сети данного стандарта планируется развивать в полосах радиочастот, идентифицированных для IMT на ВКР-15, т.е. в тех полосах, которые до настоящего времени операторам связи в мире не выдавались. Возможно, в более отдаленной перспективе New Radio заменит LTE-Advanced и в остальных полосах радиочастот, идентифицированных для IMT. Стандарт New Radio сегодня сфокусирован на создание сетей широкополосного доступа общего пользования.
  3. Сети связи стандарта New Radio в диапазоне выше 24 ГГц (разработку стандарта 3GPP планирует завершить в 2020 году). Конкретные полосы радиочастот должны быть определены по результатам ВКР-19. Именно данную категорию сетей связи чаще всего называют 5G, рассматривая их как дополнение к сетям стандартов New Radio и LTE-Advanced Pro ниже 6 ГГц; сплошного покрытия территории для них не предусмотрено.

Отметим, что выше были рассмотрены стандарты только для наземных сетей связи. В то же время дополнительно  ведутся  разработки  стандартов и для спутниковых сетей. Это говорит о том, что тестирование на функциональную совместимость и соответствие оборудования определенным стандартам является обязательным для формирования и поддержания в работоспособном состоянии создаваемой в стране ИКТ-инфраструктуры цифровой экономики.

Строительство  и  развитие  ИКТ-инфраструктуры невозможно без гарантии технологического единства, функциональной связности и директивного согласования интерфейсов взаимодействия. Для обеспечения целостности, устойчивости функционирования и безопасности единой инфраструктуры цифровой экономики необходимо создание комплексной государственной системы сертификации технических средств и систем, предназначенных для образования данной инфраструктуры и подключения к ней соответствующих устройств IoT. МСЭ рекомендует на государственном уровне создавать и развивать систему оценки соответствия и функциональной совместимости систем в области ИКТ. Для этого предлагается формировать национальную базу данных о продуктах, прошедших тестирование на соответствие и функциональную совместимость, а также организовывать соответствующие центры и лаборатории тестирования. Подобная программа оценки соответствия и проверки на функциональную совместимость в области ИКТ(C&I) реализуется и МСЭ.

На основе Резолюции 177 Полномочной конференции МСЭ (Пересм. Пусан, 2014 год) определены четыре направления работы:

  • оценка соответствия;
  • мероприятия, касающиеся обеспечения функциональной совместимости;
  • создание потенциала людских ресурсов;
  • организация центров тестирования и разработки методов тестирования объектов ИКТ.

В зависимости от национального законодательства тестирование на соответствие и функциональную совместимость в области ИКТ может быть как добровольное, так и обязательное. Например, в европейских странах оно носит добровольный характер, а в Китае – обязательный. Обе системы имеют свои преимущества и недостатки.

Гармонизация радиочастотного спектра

Вопрос гармонизации использования радиочастотного спектра является одним из ключевых при построении информационной инфраструктуры цифровой экономики. Гармонизация спектра может быть реализована на глобальном уровне – в МСЭ и/или на региональном – в рамках признанных региональных организаций. Активное участие в данном процессе позволит России вписаться в общий мировой рынок IoT-оборудования. При этом необходимо учитывать, что не весь ресурс, выделенный МСЭ для развития сетей связи семейства стандартов IMT-2020, будет доступен для коммерческого использования российскими операторами связи. Перевод действующих систем гражданского назначения в другие полосы радиочастот неизбежно потребует «расчистки» диапазонов под IoT- применения, т.е. должна быть продолжена работа по конверсии РЧС.

За счет значительного объема рынка и конкуренции производителей оборудования в гармонизированных полосах радиочастот возможно существенное снижение стоимости ИКТ-инфраструктуры и подключения к ней устройств IoT.

Радиочастотный ресурс для беспроводного подключения «вещей» может быть двух типов: лицензируемый (например, полосы частот, используемые операторами «большой четверки») и нелицензируемый (без оформления разрешений). При этом в нелицензируемых полосах невозможно обеспечить высокую скорость передачи, малые задержки времени и надежность передачи, так как регулятор не гарантирует отсутствие радиопомех в этих полосах частот. В то же время избавление от бюрократических процедур выделения и назначения частот в этих полосах позволяет ускорить создание беспроводной сети и уменьшить стоимость беспроводного подключения «вещей» к ИКТ-инфраструктуре.

Выбор спектра для построения ИКТ-инфраструктуры и обеспечения подключения устройств IoT – задача сложная. Исходя из анализа готовых и разрабатываемых стандартов, можно сформулировать основные требования к РЧС, необходимому для реализации концепции IoT. Наиболее предпочтительным является использование полос частот в диапазоне ниже 1 ГГц, хотя для некоторых критических применений IoT нужны более высокие полосы радиочастот. Для реализации концепции IoT регулятор должен определить достаточный объем лицензируемого и нелицензируемого спектра, а также спектра для критических применений IoT, который не должен выдаваться в пользование коммерческим операторам.

Лицензируемый  спектр  необходим  для IoT-применений, где  требуется  высокое  качество  связи (низкие задержки и отсутствие помех). В этом случае коммерческие широкополосные сети могут использоваться лишь в отдельных случаях. Потребности в таком спектре составляют 2×3 МГц в диапазонах 450 или 700 МГц. Системы5G также могут внести свой вклад в развитие приложений IoT, однако частоты, которые предполагается  рассматривать  для  таких  систем  на ВКР-19 (выше24 ГГц), в большинстве случаев не будут поддерживать целый ряд IoT-применений.

Нелицензируемый спектр требуется для сетей IoT локального и регионального характера. Кроме того, использование такого ресурса позволит обеспечить быстрое, экономически эффективное развитие сенсорных приложений IoT в удаленных районах на базе как сверхузкополосных, так и широкополосных технологий. Дополнительные потребности в таком спектре составляют 2×3 МГц в диапазоне ниже 1 ГГц и предпочтительно в полосах 870–876 и 915–921 МГц, которые могут стать гармонизированными полосами для IoT на глобальном уровне.

Спектр для критических применений IoT необходим для построения сетей связи, обеспечивающих потребности промышленного IoT и интеллектуальных транспортных систем (ITS). Потребности в спектре для ITS составляют 30 МГц в диапазоне5,9 ГГц, а для внедрения концепции IoT на производстве требуется 2×40 МГц в диапазоне радиочастот от1,4 до6 ГГц.

Вопрос о гармонизации спектра для систем, являющихся основой информационной инфраструктуры цифровой экономики – IMT-2020 (5G) и IoT/M2M, включен в повестку дня ВКР-19 (пункты 1.13 и 9.18). Кроме того, в ИК1 и ИК5 МСЭ-R уже приняты или готовятся к принятию новые рекомендации по использованию различных полос радиочастот для систем связи и устройств малого радиуса действия.

На региональном уровне в 2016 году европейские страны разработали и реализуют Программу гармонизации радиочастот (700 МГц, 3,5 и24 ГГц) с целью раннего внедрения (до 2020 года) систем IMT-2020. В 2017 году аналогичную программу на региональном уровне приняли арабские страны, а на национальном уровне в 2016–2017 году такие страны, как США, Япония, Южная Корея и Китай, провели исследования по определению условий использования различных полос радиочастот для внедрения систем IMT-2020.

Особенности использования радиочастот для IoT в России

Российской Федерации предстоит решить ряд первоочередных задач, связанных с выделением радиочастотного ресурса, необходимого для быстрого развития инфраструктуры, а также беспроводного подключения к ней устройств IoT.

Это, во-первых, определение полос радиочастот для стандарта IMT-2020. Исследования, связанные с подготовкой к ВКР-19, можно было бы расширить за счет установления условий для раннего внедрения в России систем IMT-2020 (т.е. до ВКР-19) в диапазоне ниже 5 ГГц (например, 4400–4500 и4800–4990 МГц).

Во-вторых, следует найти как минимум 2×3 МГц нелицензируемого спектра в диапазоне ниже1 ГГц – для внедрения IoT-приложений в рамках стандартов, разработанных для устройств малого радиуса действия, а также двух полос по 3 МГц лицензируемого спектра ниже 1 ГГц (в первую очередь в диапазонах 450 и700 МГц) – для внедрения стандартов, разработанных для сетей сотовой связи (NB-IoT). Кроме того, целесообразно проработать условия использования российскими операторами подвижной связи стандарта NB-IoT в полосах радиочастот, которые им уже выделены; прежде всего это относится к диапазонам 800, 900 и1800 МГц.

БУТЕНКО № 8 Таб 1 ред.
Таблица 1. Варианты использования РЧС при внедрении стандартаLTE V2X

Также в повестке дня должен стоять вопрос, связанный с использованием радиочастот для ITS. В этой области разгорается война двух стандартов: ITS-G5, поддерживаемого IEEE и консорциумом автопроизводителей, и LTE V2X, который продвигает 3GPP. В настоящее время рассматриваются два варианта использования радиочастот для стандарта LTE V2X (табл. 1).

В табл. 2 представлены варианты обеспечения радиочастотным спектром наземной ИКТ-инфраструктуры цифровой экономики в Российской Федерации применительно к лицензируемым полосам радиочастот. В то же время на национальном уровне необходима комплексная  проработка  вопроса радиочастотного  обеспечения ИКТ-инфраструктуры и подключения к ней устройств IoT как для наземного, так и для спутникового сегмента ИКТ-инфраструктуры, как для лицензируемого, так и для нелицензируемого спектра. Без четкой концепции, определяющей, какие полосы радиочастот, в каком объеме, для каких целей и на какой основе должны использоваться для беспроводного подключения устройств IoT к инфраструктуре, государство может понести существенные финансовые потери, а также значительно задержать реализацию цифровой трансформации экономики страны.

БУТЕНКО № 8 Таб 2 ред.
Таблица 2. Обеспечение лицензируемым радиочастотным спектром наземной ИКТ-инфраструктуры

Заключение

Для обеспечения целостности, устойчивости функционирования и безопасности единой инфраструктуры цифровой экономики необходимо создание комплексной, утвержденной на государственном уровне, системы сертификации технических средств и систем, предназначенных для формирования данной инфраструктуры и подключения к ней соответствующих устройств IoT.

Нормативная техническая база использования ИКТ-инфраструктуры должна строиться на принципе технологически нейтрального регулирования и учитывать гармонизированные на международном уровне полосы радиочастот для беспроводного подключения к ИКТ- инфраструктуре.

На  национальном  уровне  требуется  принять  концепцию обеспечения радиочастотным ресурсом ИКТ-инфраструктуры страны с учетом возможностей существующих и разрабатываемых стандартов беспроводной связи.

***

От редакции: в данной статье отражены преимущественно вопросы обеспечения радиочастотным ресурсом ИКТ-инфраструктуры с учетом возможностей существующих и разрабатываемых стандартов беспроводной связи, нормативной технической базы использования ИКТ-инфраструктуры, сделан акцент на системы сертификации технических средств. В следующих номерах журнала предполагается затронуть проблемы электромагнитной безопасности, рассказать о возможностях PLM систем (Product Lifecycle Management), методиках дополненной реальности и других направлениях развития цифровой экономики.

 

Рубрики и ключевые слова