И снова здравствуйте!
- Первая часть. Обзор Рынка - тут
- Вторая часть. Внешние и внутренние противоречия - тут
- Третья часть. Основные действующие лица - тут
Итак, на данный момент мы рассмотрели телеком рынок России, выявили основные тенденции его развития, а также обозначили главных действующих субъектов. Теперь пришло время чуть пристальнее посмотреть на предмет локализации – сам конечный продукт с технической точки зрения.
Что из себя представляют базовые станции 4G/5G, какова их роль в сетях связи, каковы основные компоненты и кто их производит, какие технологические вызовы будут стоять перед новым производителем, который решит войти на этот рынок? Может быть, все не так уж и сложно и можно просто собрать умных людей, и наши Левши уж смогут как-то разрешить задачку, как в сказке Лескова? Давайте попробуем разобраться. Тема непростая, но постараюсь осветить вопрос в максимально популярном ключе.
Как обычно - буду рад конструктивной критике, обратной связи и дискуссии. На базе Ваших предложений – сможем «углУбить и расшИрить» материал!
Первоначально опубливал на хабре:
- Первая часть. Обзор Рынка
- Вторая часть. Внешние и внутренние противоречия
- Третья часть. Основные действующие лица
1. Немного о стандартах 4G и 5G и почему это важно
5G NR (New Radio) и 4G LTE (Long Term Evolution) – это продолжающие развиваться в настоящее время международные стандарты мобильной радиосвязи, пришедшие на смену предыдущим поколениям стандартов, например, 3G UMTS – Universal Mobile Telecommunications System) Архитектура сети, функционал элементов, протоколы по которым сетевые функции общаются между собой – все это описывают и специфицируют в консорциуме под названием 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), в который входит более 700 производителей сетевых и пользовательских устройств, операторов связи, разработчиков чипов, НИИ и т.д.
Россия практически не принимает участия в работе этого важнейшего технологического форума. Туда входят от нашей страны 0 операторов связи (зачем? - иностранные партнеры всегда поделятся последними наработками). Только совсем недавно, что отрадно отметить, к работе консорциума подключились-таки первые компании из России: Криптонит (из ИКС Холдинга из USM, которых мы упоминали ранее), Nexign (от туда же) и СколТех в качестве guesting member (что бы это ни значило). Отметим также недавнее включение Криптонита в работу над темой безопасности и шифрования в рамках Technical Specification Group Service and System Aspects. Все это первые, робкие, но как видится важные шаги в правильном направлении.
Собственно, все интересующиеся могут обратиться к спецификациям 3GPP, находящимся в открытом доступе для понимания принципов работы сетей, в том числе подсистемы радиодоступа, на которой мы и сосредоточимся в статье.
Наверное, стоит подчеркнуть, что несмотря на наличие международного стандарта (что позволяет нашим смартфонам работать и в США, и в России, и в Китае), тема патентов на технологии остается очень важной. В рамках 3GPP применяется подход, получивший название FRAND – Fair, Reasonable and Non-Discriminatory или, по-русски - Справедливое, Разумное и Не Дискриминационное Лицензирование (какое воодушевляющее название, правда?) (Morris, 2020). Другими словами, новой компании-разработчику, решившей включиться в решительную работу над оборудованием связи из семейства 3GPP придется озаботиться оплатой роялти за использование патентов на технологии, без которых стандарты 4G/5G невозможно представить, но к этой компании отнесутся «справедливо и разумно» (Schmid, 2020). На практике это, например, может означать, что если обе компании активно работают в части разработки технологий, то часто может применяться схема взаимного кросс-лицензирования или «взаимозачета» по ключевым Standard-Essential Patents.
С какими компаниями, владеющими основополагающими патентами для стандарта 5G, нужно будет договариваться (GreyB, 2021) новичкам:
Рисунок 1 Список основных компаний-владельцев Core Standard Essential 5G patentsОдин из недавних громких примеров сложностей с «разумным и честным» подходом – это судебные тяжбы между американским оператором Verizon (которому запрещено использовать китайское оборудование, как мы выяснили ранее) и Huawei (крупнейший вендор-владелец технологий) (NASDAQ, 2021).
Таким образом, если есть амбиции не на словах, а на деле развивать компетенции в технологиях связи, профильным предприятиям нужно было бы уже сейчас включаться в работу по разработке стандартов (6G в том числе). Не самая бессмысленная трата денег была бы со стороны государства по поддержке данной инициативы.
2. Базовая станция в сетях 4G-5G
Давайте вспомним архитектуру сети радиодоступа 4G/5G в упрощенном виде:
Рисунок 2 Архитектура мобильной сети “for dummies”Базовые станции расположены на самом краю сети, где происходит магия по превращению инстаграм-картинок и тик-ток видосиков в радиоволны, летящие к нам на смартфоны и обратно в сеть Интернет уже в виде электрических и оптических сигналов.
Какие основные функции базовой станции можно выделить:
- Прием и передачу радиосигналов, включая аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование
- Управление и планирование выделением радио ресурсов для абонентов
- Мобильность (включая т.н. хэндоверы) для обслуживания движущихся абонентов от одной базовой станции к другой
- Кодирование и шифрование трафика
- Обеспечение заданного качества обслуживания (QoS)
- Сбор измерений с абонентских устройств, дабы оперативно реагировать на меняющиеся радио условия (дать больше мощности, например для дальних абонентов или расширить полосу частот для ближних абонентов)
На этом список функций не исчерпывается и за каждой строчкой стоит целое семейство различных технологий, программных функциональностей, архитектурных особенностей и т.д. Давайте отобразим как стэк протоколов, относящихся к ради сети, выглядит согласно модели OSI:
Далее посмотрим, какие блоки БС отвечают за осуществление этих процедур.
3. Архитектурные особенности базовой станции
Если, выйдя на улицу, обратить внимание на типичную «вышку связи» в виду башни или столба, обвязанного кабелями и оснащенного различными подозрительными коробками, то оборудование радио-доступа можно распознать обычно по двум основным физическим сущностям, которые с т.з. аппаратного обеспечения и являются тем, что принято называть базовой станцией:
Рисунок 3 Базовая станции сети мобильной связи = Radio Unit + Baseband UnitНа этой площадке расположены еще системы питания, климатический шкаф (куда устанавливают, например блок цифровой обработки), панельные антенны, коммутаторы и/или маршрутизаторы для передачи уже обработанных пакетов далее в сторону опорной сети, множество оптических, медных и коаксиальных кабелей и т.д. Но все это – сопутствующая инфраструктура, не выполняющая основную интеллектуальную работу, которую мы расписали выше.
Также стоит отметить, что с развитием 5G в качестве радио-модуля + антенн все активнее начинают использовать Антенно-Интегрированные решения с большим количеством антенных элементов, что позволяет реализовывать сложные механизмы передачи Massive MIMO. Что в свою очередь существенно увеличивает интенсивность обработки сигналов именно в части Layer 1 / PHY:
Рисунок 4 Эволюция к многоэлементным антенным системам (Samsung, 2020)Вообще, то каким образом распределить L1-L2-L3 операции между цифровым модулем и радио-модулем – это целое искусство, которое напрямую будет влиять на схемотехнику, учитывая, что основная и самая интенсивная нагрузка во всей отрасли связи это именно Layer 1 в сетях радиодоступа:
Рисунок 5 Интенсивность нагрузки процедур Layer 1 – Layer 3. (Ericsson, 2020)Если мы вернемся к нашим «коробочкам», то команды конструкторов-разработчиков решают, как распределять операции между ними, исходя из следующих практических соображений и компромиссов. Причем каждый производитель решает данную задачу по-своему, стандарт позволяет подходить творчески:
Рисунок 6. Альтернативы в реализации физического уровня базовой станции 4G/5G (Docomo, 2021)4. Аппаратное обеспечение
Итак, выше мы выяснили, что для того, чтобы создать базовую станцию, мало знать и уметь в стандарт и участвовать в активностях хотя бы основных рабочих групп. Нужно еще иметь компетенции по как минимум двум направлениям – разработка аппаратного обеспечения (цифровые и радио-модули) и разработка программного обеспечения, которые взаимосвязаны между собой. Начнем с первого, базиса, так сказать.
Основные компоненты аппаратного обеспечения вообще и базовых станций в частности включают:
- интегральные схемы специального назначения (ASIC), включая системы на кристалле (SOC) и специализированные процессоры цифровой обработки сигналов (DSP)
- логические интегральные схемы (ПЛИС – FPGA)
- обширная «рассыпуха» в виде центральных процессоров общего назначения (GPP или CPU), контроллеры, карты памяти, коннекторы, фильтры, малошумящие усилители (LNA), фильтры, резисторы, транзисторы, усилители мощности (PA) и многое другое
Постараемся сделать максимально общий анализ (SIA, 2020) для каждого из блоков базовой станции.
Цифровой Модуль
Данное устройство может быть реализовано как монолитный блок, либо разделено на два модуля (что обычно делается для виртуализированного исполнения). Какие тренды в отрасли на данный момент мы можем выделить: все крупнейшие производители (Nokia, Samsung, Ericsson, Huawei) дабы улучшить свои конкурентные преимущества в части производительности радио подсистемы активно вкладываются, вместе с технологическими партнерами, в разработку специализированных Систем-на-Кристалле / Специализированные Интегральные Схемы (ASIC-ов) и Ускорителей для наиболее эффективной работы самых требовательных и прожорливых операций 1 и 2 уровня ОСИ, в то время как Layer 3 очень часто отдается на откуп GPP процессорам:
Рисунок 7. Альтернативы в реализации цифрового модуля в монолитном и модульном вариантах (Moakes, 2021)Попробуем просуммировать основные компании, занятые в создании соответствующих радиоэлектронных компонентов, обозначенных выше (EU Operators, 2021):
Безусловно, существует большое число других компонентов, без которых работа цифрового модуля невозможна. Но, мы же с вами фокусируемся на ключевых интеллектуальных составляющих, правда? Основной вывод – в части полупроводников для цифровых модулей задают тон те компании, которые инвестируют средства и растят компетенции в разработке интегральных схем, высокопроизводительных процессоров и ускорителей.
Обратите внимание: Часть 2. У кого власть?.
Количество таких предприятий в мире совсем невелико.Приемопередающий радио модуль
Приемопередающий радио блок можно разделить на две основные части:
- RF Front End, который в свою очередь состоит из:
- Аналоговой предобработки: усилители, фильтры, ЦАП-ы и т.д.
- Цифровой предобработки, которая также часто реализуют на базе интегральных схем или ПЛИСов
2. Цифровая обработка сигналов, относящаяся к низкоуровневым функциям Layer 1
Рисунок 8. Основные схемотехнические компоненты радио модулей базовых станций (Techplayon, 2020)RF Front End - Аналоговая часть (Analogue Front End) отвечает за первичную обработку принимаемого и передаваемого сигнала от- и к- антеннам. Сюда входит приемопередатчик, АЦП-ЦАП блоки высокого разрешения и усилители мощности аналогового сигнала. Обычно данные элементы реализуются в форме и составе Интегральных Схем.
Тракт Цифровой Предобработки (Digital Front End) отвечает уже за обработку сигнала, трансформированного в цифровую форму дабы отфильтровать, линеаризировать, в том числе с применений эффективной широкополосной цифровой коррекцией предыскажений (Digital Pre-Distortion, DPD) (Рентюк, 2020). Обычно данный тракт также реализуется в виде интегральных схем с последовательной логикой обработки, в том числе с использованием ПЛИС/FPGA.
Layer 1 PHY low, включая Beamforming. В направлении к антенне, пользовательская информация, упакованная в пакеты данных, защищается от ошибок передачи в том числе за счет стандартизированных алгоритмов канального кодирования (Forward Error Correction), далее сигнал модулируется и трансформируется в радио форму. Для такой трансформации используется прямое и обратное Быстрое Преобразование Фурье (Fast Fourier Transforms), и инженеры знают из курса цифровой обработки сигналов в университете, что это достаточно сложная математическая задача, которая эффективно решается опять же с помощью специальных аппаратных ускорителей. Когда мы имеем дело с «массивными» MIMO системам, огромное количество передающихся параллельно массивов данных к большому числу антенн обрабатываются с помощью специализированных ускорителей функций бимформинга. Вся цепочка реализуется на программируемых цифровых процессорах (FPGA – ПЛИС) либо интегральных схемах.
Посмотрим какие основные игроки представлены в каждом из сегментов:
5. Программное обеспечение
С нуля начать писать ПО для базовых станций – это очень сложная задача в условиях отсутствия опыта, ресурсов и компетенций в данной сфере и большой зависимости от конечной аппаратной реализации, т.к. софт пишется под те схемотехнические решения, которые были выбраны, исходя из вводных выше, особенно это касается зависимости от ASIC/FPGA архитектур.
В связи с этим есть две опции:
- попробовать купить готовое ПО с доступом к открытому коду у какого-то крупного производителя из списков выше. Можно ожидать, что вряд ли кто-то на такое согласится (учитывая, что это основа интеллектуальной собственности, защищенное огромным количеством патентов и как следствие – один из основных источников прибыли). Плюс, как мы уже отметили, данное ПО в любом случае будет завязано на свою аппаратную реализацию.
- можно купить «болванку» ПО у компании с другой бизнес-моделью. Такое ПО будет покрывать, например, базовый функционал, удовлетворять стандарту и которое можно будет «допилить» для портирования на разные аппаратные платформы в будущем. Да, тут никаких продвинутых возможностей и производительности не будет, но по крайней мере будет с чего начинать. Важный аспект заключается в том, что такое ПО скорее всего будет работать только с зарубежными архитектурами, но этот путь видится наиболее реалистичным для возможной миграции в будущем на отечественные решения.Главный пример такого подхода – это ПО Intel FlexRAN (Intel, 2021), которое Intel готов предоставить тем производителям, которые будут использовать их референсную архитектуру (аппаратную и программную). С Intel по этому направлению работает ряд компаний-производителей, предпринимающих попытки выйти на новый для себя рынок решений для сетей радио доступа, например Mavenir и Altiostar.
Рисунок 9. Intel FlexRAN архитектура для Разработки Программного Обеспечения 4G/5G RANПохожую бизнес модель развивает также компания с индо-американскими корнями RadiSys, которая лицензировала свое ПО для Qualcomm, и по слухам ряду других компаний. Его же, например, приобрел СколТех, для своих исследований 5G (Время электроники, 2020), при этом в качестве аппаратных платформ используются компоненты от Xilinx, Marvell и ARM, упоминавшиеся выше (Xilinx, 2021).
6. Промежуточные итоги
Итак, мы рассмотрели, что есть базовая станция 4G/5G и кто есть основные поставщики компонентов на этом рынке. Какие выводы мы можем сделать из описанной ситуации?
Во-первых, видим, что рынок полупроводников и ПО для базовых станций в настоящий момент занят небольшим количеством компаний в основном западного происхождения. Именно их ASICи, ПЛИСы и Процессоры общего назначения составляют львиную долю интеллектуальной аппаратной начинки базовых станций. Рынок насыщен и происходит его дальнейшая консолидация, особенно можно выделить поглощение Xilinx американской AMD (AMD, 2020) , а ARM американской Nvidia (Financial Times, 2021).
Во-вторых, если возвращаться к исходной цели цикла, то неплохо бы понять, как данная ситуация влияет на задачи локализации. Если судить по заявлениям в открытых источниках от представителей государства, то цели следующие:
- Технологическая независимость в случае возможных жестких западных санкций и ограничений, которые приведут к «отключению» рубильника на поставки зарубежного оборудования.
- Наращивание технологических компетенций: разработка, проектирование и производство как отдельной ЭКБ, так и комплексных технических решений.
- Расширение бизнеса отечественных компаний (куда без этого).
Если речь действительно идет про технологическую независимость, то резонный вопрос – как ее собираются добиваться, учитывая информацию выше? Пока известно только о запретительных мерах в части использования «локализованных» базовых станций LTE с 2023 года и в будущем 5G (2024 в дорожной карте).
Вроде бы, если я ничего не пропустил, десятки миллиардов долларов на проектирование и/или производство электронной компонентной базы не выделяли? Зарубежные компании не пытаются скупать? Тысячи программистов, радиоинженеров и конструкторов не начинали срочно нанимать, а зарубежных специалистов массово не переманивают? Внятных реалистичных планов на следующие 5-10 лет (а раньше ничего путного получиться вряд ли сможет, учитывая исходные позиции) не озвучивали?
Даже на фоне благоприятной ситуации с макроэкономикой, профицитом госбюджета в кризисный ковидный год и беспрецедентного уровня золотовалютных резервов (Россия, напомню на 5-м месте) – мы не видим никаких существенных движений, которые могли бы быть сравнимы с теми серьезными усилиями, которые предпринимаются в США, Китае, Южной Корее или ЕС в части развития своей полупроводниковой промышленности.
Тогда что вообще происходит? Что можно сделать к 2023 и 2024 годам, отмеченным как обязательные для перехода на отечественные системы связи на сетях операторов, если «технологическая независимость» при этом главный критерий и драйвер всей затеи?
На этот почти риторический вопрос предлагаю ответить читателям.
Пока позволю себе сделать осторожное предположение, что в данном вопросе может победить формализм. Реалистичный максимум, что можно будет сделать к 2023-2024 году лишь на базе регуляторных запретов – это инициировать локальную сборку (или производство, кому как нравится) оборудования уже работающих на рынке поставщиков (Nokia, Ericsson, Huawei) из 100% зарубежных компонентов на 100% зарубежных станках и 100% зарубежным ПО с возможно какими-то обещаниями подтянуть отечественных разработчиков на более поздних этапах. Отечественные корпорации из третьей части цикла получат возможность участвовать в создании 1% добавленной стоимости конечного продукта и зарабатывать себе дополнительную маржу.
В следующий раз попробуем проанализировать, что было сделано со стороны государства и участников рынка на ниве создания отечественных базовых станций 4G/5G, дабы иметь полноценную картину и ничего не упустить.
П.С. Все вышеописанное ни в коем случае не означает, что не стоит развивать и разрабатывать отечественные решения, речь не об этом. Наша задача - попробовать оценить реалистичность сроков и адекватность выделяемых средств. Пока эти два ключевых показателя никак не бьются с государственной регуляторикой и громкими заявлениями.
На связи!
Список использованных источников цикла (пополняется).
#5g #5g в россии #экономика россии #телекоммуникации #разработка электроники #радиоэлектроника #отечественные разработки #беспроводная связь #мобильная связь #сотовая связь
Больше интересных статей здесь: Экономика.
Источник статьи: О судьбе отечественного оборудования для сетей 5g. Часть iv Что есть базовая станция 4g/5g.