Без технологий 5G российские операторы не справятся с нагрузкой

Рост числа мобильных устройств, непрерывное развитие услуг с использованием видео, появление новых сценариев использования, спрос на критически важные подключения и необходимость передачи данных от самых разных устройств – это реальность сегодняшнего дня, которая уже в ближайшее время приведет к перегруженности сетей сотовых операторов. Проблема нехватки емкости станет серьезным препятствием для развития бизнеса российских операторов уже в 2023 году. Для ее решения необходимо начать развертывать коммерческие сети 5G не позже 2022 года.

Услуги потребляют все больше трафика

В России, как и в остальных странах мира, развиваются разнообразные новые услуги, основанные на быстрой передаче данных и требующие определенной скорости отклика сети.

Улучшенный мобильный широкополосный доступ требуется для работы все большего числа сервисов и приложений, требовательных к скоростям передачи данных в нисходящем (DL) и восходящем (UL) каналах, а также к времени задержки сети. В частности, люди все чаще смотрят видеоконтент в высоком качестве 4К и 8К на смартфонах, планшетах и ноутбуках, а также обмениваются роликами HD-качества в соцсетях. Одновременно растет спрос на контент с использованием технологий виртуальной и дополненной реальности (VR/AR). Во многом это происходит за счет сегмента мобильных игр, в которых применяется видео 4K при 60 кадрах в секунду и до 8K при 120 кадрах в секунду. Очевидно, что эти игры потребляют большие объемы трафика.

Появляются услуги на базе сетей фиксировано-беспроводного доступа (FWA), которым также необходимы частоты. В частности, речь идет про 400 МГц, 2,3 ГГц, 3,5 ГГц и до 28 ГГц. В миллиметровом диапазоне для FWA мы достигли скорости передачи данных в нисходящем канале (DL) со скорость в 100 Мбит/с на расстояние в 5 километров и 650 Мбит/с на расстояние в 3,8 километра.

Создаются технологические сети локального масштаба для предприятий, которые предназначены для использования исключительно предприятием, и могут быть развернуты в различных конфигурациях с использованием как виртуальных, так и физических элементов для выполнения технологических задач предприятия. В 3GPP технологическими (dedicated) сетями называются непубличные (Non-public) сети, для которых определены особые требования.

Растет потребность в критически важных услугах передачи данных в национальном масштабе. Это услуги с повышенными требованиями к надежности (резервирование оборудования, каналов связи), времени установки соединения (миллисекунды) и безопасности связи (использование защищенной транспортной сети, современных алгоритмов шифрования).

Все эти сценарии будут активно развиваться и получат широкое распространение в ближайшие годы. Это значит, что для их работы потребуется дополнительная емкость сетей.

Постоянный рост спроса на услуги передачи видео

Даже без учета перечисленных выше активно развивающихся типов услуг, в России, как и во всем мире, трафик ежегодно растет в среднем на 50%. Согласно оотчету Ericsson Mobility Report, по итогам 2020 года количество мобильных подключений достигло 8 млрд. В сетях мобильного широкополосного доступа (МШПД) уже свыше 6,5 млрд подключений — это на 5% больше, чем годом ранее.

При этом пользователи очень требовательны ко времени загрузки контента. Согласно оценке Ericsson Smartphone Lab, если при веб-серфинге страница не открывается в течении трех секунд, часть пользователей теряет терпение и переключается на другую задачу. Чтобы уложиться в три секунды при веб-серфинге в браузере, требуется скорость не менее 5 Мбит/сек. Для просмотра онлайн-видео и игр требуются скорости более высокие скорости (10 Мбит/сек).

Для расчета мы использовали следующие вводные данные:

Различные типы застройки и профили трафика

Мы рассмотрели три типа застройки с различным расстоянием между сайтами оператора и различной высотой зданий, и для каждого типа изучили соответствующий профиль пользовательского трафика. Сельскую местность мы тоже посчитали, однако не включили ее в инфографику из-за отсутствия резкого роста трафика и за неимением большой плотности населения с высоким потреблением услуг передачи данных.

В связи с пандемией произошло перераспределение трафика, и большая нагрузка на сеть перешла в пригород. Объем трафика достиг 12 ГБ в месяц — это нагрузка на квадратный километр площади (км2) в часы наибольшей нагрузки на сеть. Важная особенность города- миллионника заключается в том, что большая доля абонентов использует премиальные устройства с экранами с большим разрешением и диагональю, потребляющие много трафика. При этом все жители мегаполиса — потенциальные пользователи мобильного интернета.

Не принимая в расчет бизнес-компоненту по новым сценариям использования, мы взяли усредненного российского оператора и оценили перспективы использования его сети. При этом исходили из того, что частотный актив равен 50 МГц, а целевой уровень на границе соты — 10 Мбит/сек. Когда будет исчерпан FDD-ресурс, все диапазоны переводятся на 4х4, а затем — на TDD. Приняв в расчет рост трафика на 50%, мы экстраполировали данные на период до 2025 года. Ось Х — плотность трафика или нагрузка на км2. Ось У — скорость доступная пользователю на границе соты с вероятностью 90% при данной нагрузке. Очевидно, что рост нагрузки приводит к снижению скорости передачи данных. Даже если взять более низкую скорость в 5 Мбит/сек, то разница в показателях сдвигается всего на один квартал и проблема остается.

В пригороде при скоростях 10 Мбит/сек доступный сегодня ресурс FDD LTE закончится к концу 2021 года, а спектр TDD LTE поможет расширить емкость сети до начала 2023 года.

Согласно нашей оценке, в городе-миллионнике сегодняшний ресурс FDD LTE закончится к началу 2024 года. Использование TDD LTE спектра поможет расширить емкость до середины 2025 года.

Имеющихся у оператора FDD-частот не хватит для обслуживания трафика с целевой скоростью после 2022 года. Ресурс LTE TDD может обеспечить нужную емкость только до начала 2024 года, но эта возможность доступна не всем операторам.

Совершенно очевидно, что операторам необходимо начинать внедрять технологии 5G не позднее 2022 года, чтобы запустить коммерческие услуги в 2023 году.

На представленном ниже правом рисунке мы добавили технологии 5G.

Данный график учитывает, что 5G-смартфонами пользуется 30% пользователей, покрытие 5G в среднем диапазоне составляет только 80%. Однако в будущем данные параметры будут расти. Мы предположили, что 70% абонентов используют полосу 50 МГц, а 30% — 150 МГц (LTE+5G). Чем больше LTE-пользователей будет переходить на технологии 5G, тем выше будет эффективность использования 5G-частот. Чем больше абонентов использует общую полосу 150 МГц, тем больше растет емкость сети и меньше необходимость дальнейшего расширения.

Емкость спектра: на что рассчитывать операторам

Для каждого типа застройки мы определили, на какое время хватит комбинации частот в ближайшие годы, и пришли к следующим выводам:

• При всех типах застройки FDD-ресурса хватит до конца 2021 года, а его нехватка станет очевидной с начала 2022 года.
• В течение двух лет после достижения такой ситуации операторам понадобится новый спектр частот.
• У операторов, располагающих TDD-спектром, проблема откладывается на год-полтора.

Мы уверены, что российские операторы столкнутся с проблемой нехватки емкости сетей уже в самое ближайшее время. Это означает, что в России необходимо начинать массово внедрять технологии 5G безотлагательно — не позднее 2022 года, чтобы запустить коммерческие услуги в 2023 году.