Что принесут нам 5G сети и почему не стоит покупать 5G смартфон в 2019 г

2019 год станет годом технологии 5G, по крайней мере, об этом постоянно повторяют представители индустрии сотовой связи. Мы с вами станем свидетелями выпуска нескольких 5G-смартфонов от таких компаний как Samsung, Motorola и OnePlus, а операторы наперебой будут рассказывать нам о том, насколько крутые их новые 5G-сети, даже несмотря на множество недоработок. Я мог бы найти слова, чтобы выразить насколько смешён весь тот ажиотаж, который подняли пиарщики вокруг технологий 5G, но лучше процитирую представителя Verizon заявившего, что 5G «значительно улучшит мировое сообщество». Да, появится более быстрый мобильный интернет, но какой ценой?

Недавно Qualcomm анонсировал свой новый чип, который они выпустят в 2019 году, и поскольку компания является крупнейшим поставщиком чипов для смартфонов, то мы уже можем получить представление о том, как будет выглядеть 5G железо. Вся техника, выпущенная в 2019 году, будет всего лишь первым поколением 5G, а первые пользователи этих устройств должны быть готовы к тому, что всё не так сладко, как обещалось. Возможно в месте вашего проживания 5G даже не будет приниматься, поэтому лучше подождать год или два пока прогресс не дойдёт и до вас.

Миллиметровые волны для 5G: использование диапазона, который никому не был нужен

"5G" – это сокращенное название следующего поколения технологий сотовых сетей, которые будут запущены в 2019 году. Традиция использовать букву "G" в обозначении сетей появилась в 1990-х годах с запуском технологии GSM, которую называли вторым поколением технологий мобильных сетей или "2G". Технология GSM ознаменовала переход от аналоговых технологий к цифровым, и сразу же старые аналоговые сети стали называть сетями первого поколения или "1G." С тех пор мы получаем новое число перед "G" примерно раз в десять лет, когда происходит какой-то значительный прорыв в технологиях сотовых сетей, и согласитесь, 4G уже поднадоел.

Современные смартфоны используют стандарт "4G" LTE, который функционирует в диапазоне частот от 450 МГц до 5,9 ГГц. Переход на 5G будет включать в том числе улучшения существующей инфраструктуры LTE, но определяющей характеристикой 5G является добавление нового рабочего диапазона - от 24 ГГц до 90 ГГц. Разработчики решили назвать этот новый спектр 5G "mmWave" (миллиметровая волна), и для обеспечения работы в новом диапазоне потребуется как обновление железа на телефоне, так и оборудования на вышках сотовой связи, да и вообще конструкция сетей претерпит большие изменения.

Мы привыкли, что все обновления сопровождаются доказательствами того, насколько всё теперь будет лучше, быстрее и может быть, дешевле, но для продвижения 5G mmWave таких аргументов не было и нет. Поскольку 5G работает на гораздо более высоких частотах нежели LTE, у данной технологии будет масса ограничений: радиосигнал mmWave блокируется не только зданиями и деревьями, но даже вашей рукой. Волны миллиметрового диапазона сильно затухают в дождливую погоду и во время тумана, а часть рабочего диапазона в области 60ГГц может блокироваться даже кислородом. Да, все правильно - обычных воздух, которым мы дышим, может блокировать часть рабочего диапазона 5G сетей.

С таким количеством проблем, миллиметровый диапазон выглядит не самым лучшим вариантом для построения сотовых сетей на его основе, но есть и плюсы: сумасшедшая пропускная способность, низкая задержка, и главное - этот диапазон свободен от всяких там военных, спецслужб и прочего. Его практически не использовали, потому что работать с ним очень сложно, так что если вы все-таки разберётесь со всеми прикладными проблемами, то у вас появится огромное пространство для развития сетей будущего, и именно об этом первым делом упоминают сотовые операторы, когда говорят о технологии mmWave: «Всё будет запутано и сложно, но оно того стоит».

Технология LTE была представлена в 2011 году, и за последние семь лет 4G-смартфоны стали компактнее, быстрее и энергоэффективней. С переходом на 5G, мы потеряем большинство из этих наработок, получив взамен новое, - сырое и дорогое оборудование.

Отдельные 5G-модемы: – больше компонентов, больше энергетических затрат, маленькие батареи

Современные смартфоны работают благодаря всего одному чипу типа SoC (Система на Кристалле). В его состав обычно входят ядра ЦПУ, графический процессор, процессор обработки изображений для камеры, модуль Wi-Fi и т.д.. Только память RAM технически не входит в состав чипа, но для экономии пространства, его устанавливают над SoC-чипом. Основным компонентом, расположенным вне SoC, является чип хранилища данных, а по всей материнской плате обычно размещаются крошечные микросхемы для управления питанием, аудио, Bluetooth, NFC и другими функциями. Разработчики железа всеми силами стараются уменьшить габариты материнской платы, чтобы отдать основное место в корпусе телефона под аккумулятор.

Но даже при всех их стараниях, размеры SIM-карты, слота для карт памяти, USB разъёма и даже SoC-процессора, остаются неизменными, а значит когда вы проектируете смартфон, все ваши мысли должны быть о том, как уменьшить все остальные компоненты, чтобы засунуть в корпус более ёмкий аккумулятор. Если у вас появляется новый компонент в телефоне - для батареи остается меньше места. Если у вас увеличивается площадь чипа SoC или добавляется новый чип - для батареи остается меньше места.

Последние несколько лет производители смартфонов пытались нас убедить, что нам не нужен даже разъем для наушников, аргументируя это тем, что освободившееся пространство можно отдать под аккумулятор. Управляющий Razer Мин-Линг Тан добавил к этой аргументации цифры: он сказал, что, убрав разъем для наушников, компания может увеличить емкость батареи на 500 мАч.

Какое это имеет отношение к теме статьи про 5G? Да самое прямое – диапазон 5G mmWave потребует установки дополнительных электронных компонентов, что неизменно приведет к усложнению и удорожанию смартфонов. Самым большим преимуществом Qualcomm в эру 4G были их модемы. Благодаря сочетанию технологических ноу-хау и патентных прав, эта компания является единственным производителем микросхем, который смог объединить SoC и модем в один чип, сохранив при этом низкую цену.

Решение с объединением «всего-что-можно» в один чип – огромное преимущество, в результате чего мы получаем меньшую по размерам, более простую и дешевую материнскую плату, а также больше места для аккумулятора. Использование SoC также способствует экономии энергии во время работы телефона, поскольку, как правило, один чип потребляет меньше энергии, чем два. В течение многих лет пользователи смартфонов с чипами Qualcomm могли оценить на собственном опыте и скорость SoC со встроенным 4G-модемом, и хорошую автономность, что превратило Qualcomm практически в монополиста на рынке дорогих телефонов, и почти каждый флагманский Android смартфон использует их процессор.

Недавно Qualcomm продемонстрировал свой новый процессор Snapdragon 855. Компания всячески доказывала, что он будет совместим с технологией 5G, однако в его состав не будет входить модем для 5G mmWave. Новый SoC будет включать в себя стандартный модуль LTE, а вот для 5G-телефонов понадобится дискретный модем, и преимущество решения «всё-в-одном» будет утрачено. Ну и как я объяснял выше, это повлечет за собой уменьшение места для аккумулятора и более высокое энергопотребление.

Мы уже проходили через все сложности работы с аппаратурой первого поколения. Когда происходил переход на 4G, первые смартфоны так же имели дискретный 4G модем. Самый известный пример – HTC Thunderbolt, первое 4G- устройство, работавшее в сети Verizon. На нём был установлен процессор Snapdragon MSM8655 и отдельный LTE модем Qualcomm MDM9600. Этот телефон был ужасен во всём от начала и до конца, ведь его аккумулятор имел ёмкость всего 1400 мАч. Смартфон был толстый, быстро нагревался, работал медленно, постоянно глючил и моментально разряжался. HTC Thunderbolt постоянно возглавлял рейтинги «худших телефонов всех времен», и один из работников HTC даже извинился за это его создание.

Соперники Qualcomm по созданию модемов:

Qualcomm единственная компания, которая производит СнК, в состав которой входит модем. Samsung предлагает свое решение с интегрированным модемом – линейку СнК Exyno, но в США, Китае, Латинской Америке и Японии, в устройства Samsung все равно вставляют чипы Qualcomm. Huawei и MediaTek находятся в схожей позиции: они могут использовать технологию LTE, но их чипы не получают мировое распространение из-за ограничения патентных прав. Apple производит собственные SoC для iPhone, но они используют отдельный чип для модема. Apple отказалась от модемов Qualcomm в iPhone XS в пользу решений Intel, что послужило причиной судебного разбирательства между Apple и Qualcomm.

Qualcomm обладает большим количеством сотовых патентов в различных странах, и активно использует это преимущество для того, чтобы поддерживать свои позиции на рынке. Компания столкнулась с большим количеством исков от других компаний во многих странах мира, за нечестное получение лицензий и патентов, но это не остановило участников рынка – все кроме Apple используют модемы Qualcomm.

Нельзя сказать, что первые устройства для 5G будут настолько же ужасными, как HTC Thunderbolt, ведь с тех пор в дизайне смартфонов многое изменилось, но наверняка первое поколение будет иметь те же огрехи. 5G-смартфоны, выпущенные в 2019 году, вероятно, будут громоздкими настолько, чтобы в них могли вместиться 5G-модемы, и просто интересно, что придумают маркетологи, чтобы оправдать увеличение размеров.

Давайте сравним внутренние компоненты, которые нужны для того, чтобы обеспечить работу 4G и 5G. Самым распространенным чипом от Qualcomm в 4G-телефонах 2019 года будет Snapdragon 855 со встроенным LTE модемом, а антенны для него представляют собой крошечные проводки, которые обычно интегрируются в материнскую плату. С 5G совершенно другая история – в дополнении к процессору Snapdragon 855 на плате будет устанавливаться чип модема Snapdragon X50, а так же модули антенн 5G "QTM052", которые тоже представляют собой эдакие чипы, требующие свою разводку на материнской плате.

Я не видел, чтобы Qualcomm публиковал информацию о размере модема для 5G или Snapdragon 855, но компания обычно публикует фотографии их чипов рядом с монетками. Здесь представлены Snapdragon 855, 5G модем и 5G радиочастотный модуль в сравнении с одним центом США.

Как оказалось, чипы первого поколения 5G от Qualcomm будут очень большими, по крайней мере, по сравнению с другими компонентами смартфонов. Модем X50 и радиочастотный модуль для 5G занимают даже больше места, чем Snapdragon 855, в котором есть и CPU, и GPU и даже встроенный 4G-модем, поэтому просто невероятно, что один лишь 5G-модем и антенный модуль занимают столько же места как всё ядро телефона.

Вообще, вашему 5G-телефону потребуются несколько антенн типа QTM052. На странице Qualcomm говорится, что нам понадобятся «четыре mmWave модуля, расположенных в разных местах», чтобы обойти все ограничения, связанные с работой в миллиметровом диапазоне, а наиболее продвинутые устройства потребуют всего три модуля. Все диаграммы Qualcomm о технологиях 5G показывают наличие четырех антенных модулей, расположенных с каждой стороны устройства. «Эталонный» прототип Qualcomm (на который недавно взглянули в Anandtech) имеет три 5G-антенны: наверху, слева и справа. У 5G Moto Mod от Motorola, четыре антенны: слева, справа и две сверху.

Не важно какую конфигурацию выберут OEM-компании, - в любом случае это будет дизайн с несколькими антеннами, благодаря чему телефон будет работать с той антенной, которую не блокирует ваша рука. Только представьте, что вы держите телефон, будто снимаете селфи: вы заблокируете правую и левую антенны, а значит телефон переключится на работу с верхней и нижней. Если вы держите телефон, будто снимаете пейзаж, вы заблокируете верхнюю и нижнюю антенну, так что телефон выберет левую и правую для работы. Устройства 5G будут динамически выбирать наиболее удобную антенну.

Большее количество антенн означает более сложное внутреннее устройство телефона. Если мы вернемся к изображению чипов, то можно сказать, что полный набор 5G от Qualcomm займёт гораздо больше места в телефоне по сравнению с 4G. Я не знаю какой толщины эти чипы, но если промасштабировать изображения в Photoshop, то 5G-антенны занимают пространства в 3.3 раза больше чем SoC для 4G. С точки зрения производителей, которые хотят отобрать у нас разъем для наушников, потому что он занимает много места, очень сложно оправдать все эти дополнительные усложнения для 5G.

Эти многочисленные 5G-антенны нужны для обеспечения техники «трехмерного формирования луча». Вместо того, чтобы просто отправлять сигнал волной (как на значке Wi-Fi), антенна может определить, где находится вышка, и направить сигнал напрямую туда. Точно также вышка может определить ваше расположение и направить луч к вам напрямую. Qualcomm утверждает, что формирование луча – ключевой момент 5G-устройств, ведь более концентрированный луч поможет решить проблемы, связанные с низкой проникающей способностью миллиметрового диапазона.

На сегодняшний день все релизы Qualcomm и демонстрируемые образцы устройств показывают, что антенны расположены по сторонам телефона перпендикулярно материнской плате. Но как в таком случае быть с новой модой на стеклянную заднюю крышку смартфона? Стекло на пластик не укрепишь, и такие телефоны имеют металлическую рамку для придания жёсткости конструкции. Такая рамка с лёгкостью заблокирует работу боковых 5G антенн… Да и вообще возможно, про металлические элементы в корпусах телефона придётся забыть.

К тому же, кто-то должен будет заплатить за все эти дополнительные компоненты, и без сомнения это будут покупатели устройств. Управляющий OnePlus Пит Лау недавно сказал The Verge , что 5G-телефоны будут на 200-300 долларов дороже их аналогов под 4G. Вы готовы платить двойную цену за громоздкий телефон, который быстро разряжается?

Суровая реальность внедрения технологии 5G

Очевидно, что внедрение 5G потребует определенных жертв в обозримом будущем, но что же мы получим взамен? На 2019 год ответ – «возможно более быстрый интернет», но это зависит от множества факторов. Во-первых, вам нужно быть в городе, где есть 5G покрытие, во-вторых, вам надо быть в месте, где можно поймать сигнал 5G, а потом вы должны ощутить, чувствуете ли вы это повышение скорости?

Поскольку 5G работает на более высоких частотах и обладает более низкой проникающей способностью по сравнению с 4G, просто модернизировать существующие башни будет не достаточно. Для решения проблем распространения высокочастотного диапазона нужно будет строить больше сотовых вышек, в том числе устанавливать репитеры внутри крупных зданий.

Похоже, что о полном покрытии технологией 5G mmWave не идет и речи. Управляющий Qualcomm обрисовал архитектуру 5G сети следующим образом: миллиметровый диапазон будет использоваться только в «плотно застроенных городских районах», во всех остальных местах будет использоваться LTE. Необходимые дополнительные башни для обеспечения работы 5G вероятно не окупятся за пределами городов, так что LTE будет выполнять основную работу, но даже, находясь в городах, где 5G доступен, осуществить покрытие внутри зданий будет сложно из-за препятствий, которые создадут стены. Вам понадобится ретранслятор внутри здания (т.н. фемтосота), ну или вы будете работать с диапазоном LTE. Интересно, что никто в отрасли не утверждает, что LTE уходит в прошлое, а скорее наоборот - произойдет усовершенствование LTE в сегменте «5G».

Таким образом, несмотря на то, что поднимается много шумихи по поводу того, насколько быстрыми могут быть 5G в конечном итоге, реальные модемы 2019 года не предоставят вам десятикратное увеличение скорости, тем более что и LTE постоянно совершенствуется. Чип Snapdragon 855 с встроенным модемом 4G, имеет новую теоретическую максимальную скорость 2 Гбит/с, и это без всяких усложнений, на которые нужно идти при переходе на технологию 5G. Модемы X50 для 5G сетей в паре с несколькими радиочастотными модулями могут удвоить этот показатель до теоретической скорости загрузки в 5 Гбит/с.

Оба эти показателя – теоретическая величина, которую вы не сможете достичь в реальной жизни, но стоит помнить, что вам нужно всего около 0,006 Гбит/с для идеальной потоковой передачи высококачественного видео 1080p при 60 кадрах в секунду. Даже что-то сумасшедшее, например, потоковая передача 4K со сжатием, требует примерно 0,025 Гбит/с, поэтому нынешних скоростей 4G более чем достаточно. Конечно, если мы будем использовать панорамную трансляцию 4K в шлемы виртуальной реальности, то возможно, когда-то мы действительно столкнемся с нехваткой скорости 4G, но не сейчас.

Возвращайтесь в 2020 году

С технологией 5G mmWave в 2019 году мы получим более толстые телефоны, которые будут нагреваться и иметь сложное аппаратное обеспечение, они будут потреблять больше энергии и стоить дороже. Учитывая, что сети 5G пока ещё находятся в зачаточном состоянии, а цена на 5G-смартфоны будет на 200-300 долларов выше их аналогов для 4G, перспектива прямо-таки не радостная.

Через год или два, модемы для миллиметрового диапазона будут доработаны и интегрированы в SoC. Тогда можно будет серьёзно думать, является ли строчка «поддержка 5G» определяющей при выборе телефона в интернет-магазинах. Но пока же надо подготовиться к рекламной шумихе, которая будет неизменно сопровождать каждый анонс 5G телефона, и в любом случае если вы готовы переплачивать, то уж лучше за качество экрана, процессор, камеру или даже за бренд, но никак не за 5G. По крайней мере, в ближайшие годы.

Рон Амадео
24/12.2018