Продолжаем цикл статей о судьбе отечественного оборудования для сетей 5G. В предыдущих частях мы рассмотрели рынок, его противоречия и основных игроков. Теперь углубимся в техническую сторону вопроса: что же из себя представляет конечный продукт — базовая станция.
- Первая часть. Обзор Рынка - тут
- Вторая часть. Внешние и внутренние противоречия - тут
- Третья часть. Основные действующие лица - тут
Мы уже изучили российский телеком-рынок, его тенденции и ключевых субъектов. Теперь настало время детально рассмотреть предмет локализации — сам конечный продукт. Что такое базовая станция 4G/5G, какова её роль, из каких компонентов она состоит и кто их производит? Какие технологические барьеры ждут нового производителя, решившего выйти на этот высококонкурентный рынок? Возможно ли, собрав команду талантливых инженеров, решить эту сложнейшую задачу, подобно лесковскому Левше? Давайте разбираться. Тема требует погружения, но я постараюсь объяснить её максимально доступно.
Как всегда, буду благодарен за конструктивную критику, обратную связь и дискуссию. На основе ваших комментариев мы сможем дополнить и расширить материал!
Первоначально опубликовал на хабре:
- Первая часть. Обзор Рынка
- Вторая часть. Внешние и внутренние противоречия
- Третья часть. Основные действующие лица
1. Стандарты 4G и 5G: основа технологий и вызов патентов
Современные стандарты мобильной связи 5G NR (New Radio) и 4G LTE (Long Term Evolution) являются развитием предыдущих поколений, таких как 3G UMTS. Все технические аспекты — архитектура сети, функционал элементов, протоколы взаимодействия — детально описываются и специфицируются международным консорциумом 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project). В его работе участвуют более 700 организаций: производители сетевого и пользовательского оборудования, операторы связи, разработчики чипов, научно-исследовательские институты.
Россия исторически практически не участвовала в работе этого ключевого технологического форума. До недавнего времени ни один российский оператор связи не входил в его состав. Лишь совсем недавно в консорциум в качестве участников с особым статусом (guesting members) были приняты первые российские компании: «Криптонит» (входит в ИКС Холдинг USM), «Nexign» (также из USM) и «СколТех». Отметим и включение «Криптонита» в рабочую группу по безопасности и шифрованию. Это первые, робкие, но важные шаги в правильном направлении.
Спецификации 3GPP находятся в открытом доступе, что позволяет всем желающим изучить принципы работы сетей, включая подсистему радиодоступа, которой посвящена данная статья.
Важно понимать, что наличие единого международного стандарта (благодаря которому наши смартфоны работают по всему миру) не отменяет сложной патентной ситуации. В рамках 3GPP действует принцип FRAND (Fair, Reasonable and Non-Discriminatory) — «Справедливое, Разумное и Недискриминационное Лицензирование». Новому разработчику, решившему создавать оборудование для сетей 4G/5G, придётся договариваться об оплате роялти за использование патентов, без которых стандарт немыслим. На практике между крупными игроками часто применяется схема взаимного кросс-лицензирования.
С какими компаниями — владельцами ключевых патентов для 5G (Standard-Essential Patents) — придётся иметь дело новичкам:
Рисунок 1. Основные компании-владельцы ключевых патентов на технологии 5G.
Недавний громкий пример сложностей с «разумным» подходом — судебные тяжбы между американским оператором Verizon и китайским гигантом Huawei. Таким образом, для реального развития компетенций в области связи российским компаниям необходимо активное участие в разработке стандартов (включая перспективный 6G). Поддержка таких инициатив со стороны государства была бы стратегически важной инвестицией.
2. Базовая станция: сердце сети радиодоступа
Рассмотрим упрощённую архитектуру сети 4G/5G:
Рисунок 2. Архитектура мобильной сети «для чайников».
Базовые станции расположены на границе сети, выполняя магическое превращение контента (фото, видео) в радиоволны для наших смартфонов и обратно — в электрические и оптические сигналы для передачи в интернет.
Ключевые функции базовой станции:
- Приём и передача радиосигналов, включая аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование.
- Управление и планирование выделения радиоресурсов для абонентов.
- Обеспечение мобильности (хэндоверы) для обслуживания движущихся абонентов при переходе между станциями.
- Кодирование и шифрование трафика.
- Гарантия заданного качества обслуживания (QoS).
- Сбор измерений с пользовательских устройств для оперативной адаптации к изменяющимся радиоусловиям (например, увеличение мощности для дальних абонентов).
Это далеко не полный список. За каждой функцией стоит комплекс технологий, программных модулей и архитектурных решений. Вот как выглядит стек протоколов радиосети в модели OSI:
Далее рассмотрим, какие аппаратные блоки отвечают за выполнение этих функций.
3. Архитектура базовой станции: два ключевых блока
Если посмотреть на типичную вышку связи, то оборудование радиодоступа физически представлено двумя основными компонентами, которые вместе и образуют базовую станцию:
Рисунок 3. Базовая станция = Radio Unit (RU) + Baseband Unit (BBU).
На площадке также находятся системы электропитания, климатический шкаф (для размещения блока цифровой обработки), антенные панели, коммутаторы, маршрутизаторы и множество кабелей. Но это — сопутствующая инфраструктура, не выполняющая интеллектуальную обработку сигнала.
С развитием 5G всё чаще используются антенно-интегрированные решения (Active Antenna Unit — AAU) с большим количеством элементов, что позволяет реализовать технологию Massive MIMO. Это значительно увеличивает вычислительную нагрузку на уровень физического доступа (Layer 1 / PHY):
Рисунок 4. Эволюция к многоэлементным антенным системам.
Распределение операций между уровнями L1-L3 между цифровым (BBU) и радио-модулем (RU) — это целое искусство, напрямую влияющее на схемотехнику. Основная и самая интенсивная вычислительная нагрузка в сетях связи приходится именно на Layer 1:
Рисунок 5. Интенсивность вычислительной нагрузки на разных уровнях (Layer 1 – Layer 3).
Разработчики решают, как распределить операции между блоками, исходя из практических соображений и компромиссов. Каждый производитель подходит к этому творчески, в рамках возможностей, предоставляемых стандартом:
Рисунок 6. Альтернативы реализации физического уровня базовой станции 4G/5G.
4. Аппаратное обеспечение: основа основ
Создание базовой станции требует компетенций в двух ключевых областях: разработка аппаратного и программного обеспечения, которые тесно взаимосвязаны. Начнём с аппаратной части.
Основные компоненты аппаратного обеспечения базовых станций включают:
- Специализированные интегральные схемы (ASIC), включая системы на кристалле (SoC) и процессоры цифровой обработки сигналов (DSP).
- Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС / FPGA).
- Широкий спектр компонентов: центральные процессоры общего назначения (CPU), контроллеры, память, фильтры, малошумящие усилители (LNA), усилители мощности (PA) и многое другое.
Проанализируем ключевые блоки.
Цифровой модуль (Baseband Unit — BBU)
Это устройство может быть монолитным или разделённым на модули (например, для виртуализированных решений). Тренд отрасли: крупнейшие производители (Nokia, Ericsson, Huawei, Samsung) для достижения максимальной производительности активно инвестируют в разработку собственных специализированных систем-на-кристалле (ASIC) и ускорителей для обработки операций уровней L1 и L2. Функции уровня L3 часто выполняются на процессорах общего назначения (GPP).
Рисунок 7. Варианты реализации цифрового модуля: монолитный и модульный.
Кто производит ключевые электронные компоненты для цифровых модулей:
Основной вывод: в сегменте полупроводников для цифровых модулей доминируют компании, которые десятилетиями инвестируют в разработку интегральных схем, высокопроизводительных процессоров и ускорителей. Количество таких игроков в мире невелико.
Радиомодуль (Radio Unit — RU)
Приёмопередающий радио-блок можно разделить на две основные части:
- RF Front End (Аналоговый тракт), который состоит из:
- Аналоговой предобработки: усилители, фильтры, ЦАП/АЦП.
- Цифровой предобработки (Digital Front End), часто реализуемой на ПЛИС или ASIC.
- Цифровая обработка сигналов, относящаяся к низкоуровневым функциям Layer 1 (PHY low).
Рисунок 8. Основные схемотехнические компоненты радио-модулей базовых станций.
Аналоговый тракт отвечает за первичную обработку сигнала. Цифровой тракт предобработки выполняет фильтрацию и линеаризацию, в том числе с использованием сложных алгоритмов цифровой коррекции (Digital Pre-Distortion). Уровень PHY low, включая формирование диаграмм направленности (Beamforming), отвечает за канальное кодирование, модуляцию и преобразование сигналов с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT). Для эффективной обработки массивов данных в системах Massive MIMO требуются специализированные аппаратные ускорители. Вся эта цепочка реализуется на ПЛИС или ASIC.
Основные игроки на рынке компонентов для радио-модулей:
5. Программное обеспечение: второй ключевой вызов
С нуля написать ПО для базовой станции — чрезвычайно сложная задача при отсутствии опыта, ресурсов и компетенций. Софт тесно завязан на конкретную аппаратную архитектуру, особенно на выбранные ASIC или ПЛИС.
В связи с этим у новичка есть два теоретических пути:
- Купить готовое ПО у крупного вендора. Маловероятно, что кто-то согласится продать основу своей интеллектуальной собственности, защищённую патентами и являющуюся источником прибыли. К тому же такое ПО будет работать только с родной аппаратной платформой.
- Купить «болванку» ПО у компании с открытой бизнес-моделью. Такое ПО покрывает базовый функционал стандарта и может быть портировано на разные аппаратные платформы. Оно не будет обладать пиковой производительностью и продвинутыми функциями, но даст точку старта. Важный нюанс: изначально такое ПО, как правило, работает с зарубежными архитектурами, но в перспективе может быть адаптировано. Главный пример — платформа Intel FlexRAN, которую Intel предлагает производителям, использующим её референсную архитектуру. По этому пути идут, например, компании Mavenir и Altiostar.
Рисунок 9. Архитектура Intel FlexRAN для разработки ПО 4G/5G RAN.
Похожую модель развивает компания RadiSys, лицензировавшая своё ПО для Qualcomm. Это же ПО, по слухам, было приобретено «СколТехом» для исследований в области 5G, с использованием аппаратных компонентов от Xilinx, Marvell и ARM.
6. Промежуточные выводы и вопросы без ответов
Мы рассмотрели, что такое базовая станция 4G/5G и кто производит её ключевые компоненты. Какие выводы следуют из этой картины?
Во-первых, рынок полупроводников и ПО для базовых станций сегодня контролируется небольшим количеством в основном западных компаний. Именно их ASIC, ПЛИС и процессоры составляют интеллектуальную основу оборудования. Рынок консолидируется: AMD поглощает Xilinx, Nvidia — ARM.
Во-вторых, если вернуться к целям локализации, озвученным государством, то они, судя по открытым заявлениям, таковы:
- Технологическая независимость на случай жёстких санкций и прекращения поставок иностранного оборудования.
- Наращивание компетенций в разработке, проектировании и производстве электронной компонентной базы и комплексных решений.
- Расширение бизнеса отечественных компаний.
Если речь действительно об технологической независимости, то возникает резонный вопрос: как её планируют достичь, учитывая описанную выше ситуацию? Пока известны лишь запретительные меры: обязательное использование «локализованных» базовых станций LTE с 2023 года и 5G — с 2024 (согласно дорожной карте).
Но где масштабные инвестиции в проектирование и производство ЭКБ? Где программы по привлечению и подготовке тысяч радиоинженеров, программистов и конструкторов? Где внятные, реалистичные планы на 5-10 лет вперёд? Даже на фоне благоприятной макроэкономической ситуации и рекордных золотовалютных резервов мы не видим усилий, сопоставимых с программами развития полупроводниковой промышленности в США, Китае, Южной Корее или ЕС.
Тогда что же происходит? Что реально можно сделать к 2023-2024 годам, если «технологическая независимость» — главный критерий?
Позволю себе осторожное предположение: в данной ситуации может победить формализм. Реалистичный максимум к установленным срокам на основе регуляторных запретов — это организация локальной сборки (или «производства») оборудования действующих вендоров (Nokia, Ericsson, Huawei) из 100% иностранных компонентов на 100% иностранном оборудовании с использованием 100% иностранного ПО. Отечественные корпорации получат возможность участвовать в создании малой доли добавленной стоимости и зарабатывать дополнительную маржу.
В следующей части цикла мы попробуем проанализировать, что уже было сделано государством и участниками рынка в области создания отечественных базовых станций 4G/5G, чтобы составить полную картину.
P.S. Всё вышесказанное не означает, что не нужно развивать отечественные решения. Речь идёт об оценке реалистичности сроков и адекватности выделяемых ресурсов. Пока эти два ключевых параметра не соответствуют ни государственной регуляторике, ни громким заявлениям.
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.