РОЛЬ ТЕХНОЛОГИЙ 5G: УМНЫЕ ГОРОДА И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ

THE ROLE OF 5G TECHNOLOGIES: SMART CITIES AND INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS

Ilya Chistyakov

student, Department of Information Security, Faculty of Information Technology, Moscow Technical University of Communications and Informatics,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Новая технология мобильного доступа "5G" бросает вызов текущему состоянию дел в области связи, преодолевая недостатки основного на данный момент протокола - "4G". Эта технология представляет умным городам и интеллектуальным транспортным системам новый способ полной интеграции, обеспечивая одновременные массовые подключения и повсеместное распространение сети, даже в условиях высокой мобильности или в густонаселенных районах. Таким образом, "5G" станет ключевым фактором реального Интернета вещей и соответствующего ему Интернета транспортных средств. Эта статья направлена на то, чтобы комплексно представить, как технология "5G" повлияет на умные города, интеллектуальные транспортные системы, включая автономные или полуавтономные транспортные средства, и автомобильную связь, а также ее технические, экономические и правовые проблемы в последующие годы.

ABSTRACT

New mobile access technology "5G" challenges the current state of affairs in the field of communications, overcoming the shortcomings of the currently main protocol - "4G". This technology presents smart cities and intelligent transport systems with a new way of fully integrating, enabling simultaneous massive connectivity and ubiquitous network penetration, even in high mobility or densely populated areas. Thus, "5G" will become a key driver of the real Internet of Things and its corresponding Internet of vehicles. This article aims to provide a comprehensive overview of how "5G" technology will affect smart cities, intelligent transportation systems, including autonomous or semi-autonomous vehicles, and road communications, as well as its technical, economic and legal challenges in the coming years.

Ключевые слова: 5G; автомобильная связь; интернет вещей; умный город; автономное вождение; интеллектуальные транспортные системы.

Keywords: 5G; vehicular communications; IoT; smart city; autonomous driving; Intelligent Transportation Systems.

ВВЕДЕНИЕ

Примерно каждые 10 лет появляется новое поколение технологий беспроводной мобильной связи. Эта эволюция характеризуется использованием новых частотных диапазонов, более высоких скоростей передачи данных и новых услуг, которые делают еще один шаг ближе к обеспечению возможности подключения практически всего нашего физического мира. На (Рис. 1) показано развитие мобильной связи во временной шкале с основными характеристиками каждого поколения.

Первое поколение – 1G – было представлено в начале 1980-х годов. Оно отличалось возможностью передачи голоса по аналоговой технологии. Хотя в то время это было значительным достижением, у данной технологии были заметные на данный момент ограничения. Например, не было возможности предоставления услуг передачи данных и функции преобразования голоса в цифровые сигналы, также качество голоса было на довольно низком уровне, а услуга глобального роуминга еще не была доступна [1].

Цифровые технологии были представлены во втором поколении – 2G – в конце 1990-х годов, улучшив качество голоса и увеличив пропускную способность скорости передачи данных. В этом поколении Глобальная система мобильной связи (GSM) была цифровым стандартом, который включал такие услуги как: Служба коротких сообщений (SMS), служба мультимедийных сообщений (MMS), основанная на появлении устройств с цветным экраном и протоколом беспроводных приложений (WAP), который позволял предоставлять услуги доступа в Интернет с помощью мобильного устройства. Хотя такие мультимедийные приложения потребляли значительно больше энергии, нежели при использовании только голосового или текстового сервиса, замечательным преимуществом мобильных телефонов 2G было то, что батарея устройства работала дольше, чем на современных устройствах, поскольку радиосигналы протокола 2G потребляют мало энергии для формирования и передачи [2].

Третье поколение - 3G - появилось в конце 2000-х. Оно предоставило миру первые настоящие беспроводные данные, предоставив пользователям широкополосный доступ в Интернет. Важной особенностью технологии 3G была высокая скорость передачи данных, позволяющая разрабатывать передовые мультимедийные приложения. Кроме того, новые полосы частот и информация о местоположении позволили сделать реальной работу приложений, ранее недоступных для мобильных устройств, таких как просмотр веб-страниц, доступ к электронной почте, потоковая передача ТВ, видеоконференцсвязь и GPS [1]. Такой широкий спектр приложений сделал 3G замечательным поколением для потребительского рынка, но также привел к увеличению стоимости устройств и большему потреблению энергии, т.е. им требовалось больше энергии, чем большинству моделей 2G, что вело к уменьшению длительности работы устройств [2; 22].

Четвертое поколение - 4G - полностью основанное на Интернет-протоколе (IP), было представлено в 2010 году и используется по сей день. Основная цель технологии 4G - обеспечение высокого качества, безопасности, предоставлению недорогих услуг связи, мультимедиа контента и доступа в интернет через IP с гораздо более высокой скоростью передачи данных по сравнению с предыдущими поколениями [1]. В частности, 4G обеспечивает повсеместную высокоскоростную беспроводную широкополосную связь, используемую в настоящее время, раскрывая потенциал мобильного видео и облачных сервисов, таких как видеоигры, потоковое видео высокой четкости и 3D-телевидение.

Сегодня 4G предлагает потребителям скорость передачи данных в мегабайтах, задержку в миллисекундах и плотность устройств примерно до 2000 подключенных устройств на квадратный километр по всему миру, что поддержало внедрение Интернета вещей (IoT). Несмотря на такие возможности и из-за экспоненциального роста спроса и новых инноваций в области мобильной связи, 4G будет заменен на следующее поколение (5G) к началу следующего десятилетия, как указано в [3].

Эра 5G принесет ранее недоступные возможности сетей и услуг. Это обеспечит непрерывность связи, более высокую скорость передачи данных, более низкую задержку, массовые одновременные подключения и повсеместность сети по всему миру [2] даже в сложных ситуациях для текущего 4G, таких как высокая мобильность (например, в поездах) и в очень сложных условиях с точки зрения большого количества абонентов на относительно небольшом пространстве (например, стадионы, торговые центры). Кроме того, 5G станет ключевым фактором для реального Интернета вещей, предоставив платформу для подключения огромного количества датчиков и исполнительных механизмов со строгими ограничениями по энергоэффективности и передаче [4; 20; 21; 23; 24].

Рисунок 1. Эволюция мобильной связи от 1G к 5G

Вследствие беспрецедентного роста количества подключенных устройств, трафика мобильных данных и ограничений технологий 4G для удовлетворения этого огромного спроса на данные, промышленность и научные круги сосредоточены на определении спецификаций для услуг 5G, что свидетельствует о начале эры 5G. [3]. Устройство с 5G сможет поддерживать подключение к сети в любое время и в любом месте, открывая возможность подключения всех устройств в сети. С этой целью ожидается, что базовая конструкция системы 5G обеспечит поддержку до миллиона одновременных подключений на квадратный километр, что позволит внедрить множество новых концепций в рамках услуг Интернета вещей.

Интернет вещей — это недавняя парадигма цифровой коммуникации, в которой объекты повседневной жизни могут общаться друг с другом и с пользователями, использующими Интернет [5].

Следовательно, IoT нацелен на расширение концепции Интернета, делая его более глубоким, обеспечивая легкое взаимодействие с широким спектром устройств, таких как бытовая техника, камеры наблюдения, промышленные исполнительные механизмы, светофоры, транспортные средства и многое другое. В этом контексте данные генерируются и собираются с огромного количества подключенных устройств. Интеграция облачных вычислений и технологий больших данных играет важную роль в обработке различных типов данных в соответствии с требованиями, создавая более ценные услуги [6]. Такие технологии имеют решающее значение для обеспечения парадигмы Интернета вещей в городских условиях, известной как умный город. Он отвечает потребности большинства национальных правительств во внедрении информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в управление общественными делами [5; 7].

5G ДЛЯ УМНЫХ ГОРОДОВ

Умные города нацелены на улучшение использования общественных ресурсов, повышение качества услуг с упором на комфорт, техническое обслуживание и устойчивость, в то время как эксплуатационные расходы коммунальных предприятий сокращаются в рамках IoT [8]. На (Рис. 2) показано, каким должен быть умный город на основе Интернета вещей. В целом приложения умного города на основе Интернета вещей можно разделить на четыре категории, как показано в [9]. Личные и домашние приложения — это первая категория, которая включает в себя подключенную бытовую технику и повсеместные услуги электронного здравоохранения, которые помогают врачам удаленно контролировать пациентов [3]. Приложения для коммунальных предприятий — это вторая категория, включающая интеллектуальный мониторинг сетей водоснабжения, качество воздуха, видеонаблюдение, общественную безопасность и службы экстренной помощи [5; 10; 11]. Третья категория — это промышленные приложения, которые обычно состоят из сети промышленного оборудования в производственной среде [12]. Последняя категория сосредоточена в интеллектуальных транспортных системах (ИТС) или в целом в мобильных приложениях. Последняя категория включает новые концепции, такие как автономные транспортные средства, транспортные сети, управление дорожным движением, контроль заторов и другие [13].

Рисунок 2. Иллюстрация умного города на основе Интернета вещей, где все услуги подключены к сети

Было предпринято несколько исследовательских усилий по интеграции технологий 5G и услуг Интернета вещей в среду умного города, некоторые из которых были реализованы в отраслях, а другие - в академических кругах. Далее рассмотрены некоторые из наиболее актуальных подходов в каждой категории приложений с упором на мобильные приложения.

ЛИЧНЫЕ И ДОМАШНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

В настоящее время у небольшого процента людей есть фитнес-устройства, также известные как устройства с метками, но возможности огромны, и ожидается, что с появлением 5G устройства со смарт-метками станут более распространенными. В отличие от сегодняшних устройств, будущие устройства 5G будут полностью подключены автономно, поскольку не будет необходимости подключаться к смартфону для доступа в Интернет [3]. Такие компании, как Samsung, разрабатывают устройства для ухода за здоровьем и фитнесом, которые не только записывают выполнение упражнений и дают рекомендации по режимам упражнений, но также отправляют пользователю важную медицинскую информацию эксперту в режиме реального времени для предотвращения или отслеживания неотложных состояний.

Более того, ожидается, что с 5G дома будут постоянно становиться умнее за счет безопасности (удаленное видеонаблюдение и управление видеонаблюдением и дверные замки с беспроводным управлением) и комфорта (голосовое управление, дистанционное управление с помощью смартфонов и регулировка термостата), как показано на (Рис. 3).

Рисунок 3. Умный дом: все функции являются частью Интернета вещей

УТИЛИТЫ

Использование 5G для городского IoT может обеспечить услугу мониторинга всего энергопотребления в городе, что позволит властям получить доступ к подробной и ценной информации об энергии, необходимой для различных общественных услуг (например, уличное освещение, светофоры, камеры наблюдения, отопление / охлаждение общественных зданий и др.). Это позволит определить основные источники потребления энергии, а затем спланировать с целью оптимизации управления энергопотреблением города [5,10,11].

Ожидается, что в дополнение к экономической выгоде от оптимизации энергоресурсов, 5G поможет общественной безопасности, спасая жизни путем реагирования на стихийные бедствия и чрезвычайные ситуации или улучшая выявление преступлений и мониторинг.

С подозрительным багажом в аэропортах, вандализмом и установлением личности преступников можно бороться с помощью камер наблюдения и методов компьютерного зрения, как указано в [11]. При обнаружении угрозы с помощью быстрого соединения 5G сотрудники службы общественной безопасности будут проинформированы о статусе угроз и могут помочь в координации ответных действий. Кроме того, в [10] представлена система безопасности, которая при обнаружении лица известного преступника, даже если преступление еще не было совершено, выполняет захват живых фотографий и фактического местоположения для отправки в близлежащие полицейские участки.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Экспоненциальный рост новейших технологий (включая большие данные, облачные вычисления, искусственный интеллект и 5G) привлек большой интерес в отрасли к интеграции ИКТ в производственную среду. Объединение промышленного оборудования с ИКТ открывает возможности для повышения производительности, сокращения отходов, повышения эффективности и улучшения опыта работы в производственной среде [12]. Сельское хозяйство — это особая область, в которой Интернет вещей имеет огромный потенциал. Использование датчиков с беспроводным подключением для сельскохозяйственных культур может помочь оптимизировать рост и свести к минимуму использование воды и удобрений. За домашним скотом, резервуарами и другим сельскохозяйственным оборудованием можно наблюдать удаленно, что делает сельское хозяйство более эффективным за счет снижения производственных затрат [14,15,16, 20, 21].

МОБИЛЬНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Городские транспортные средства все чаще становятся подвижной сенсорной платформой, которая предоставляет водителям информацию об окружающей среде, и вскоре такая информация может быть загружена в облако. Данные датчиков будут доступны для сети автономных транспортных средств, которые обмениваются информацией друг с другом для оптимизации четко определенной функции [17]. Таким образом, автомобили станут еще одним устройством, подключенным к Интернету.

В идеале, когда человеческий контроль устранен, автономные транспортные средства должны взаимодействовать, чтобы обеспечить более эффективное управление движением, с меньшими задержками, меньшим загрязнением и повышенным комфортом для водителя и пассажиров. Например, для управления операциями в случае стихийных бедствий сеть транспортных средств должна быть способна координировать эвакуацию из опасных зон быстрым и упорядоченным образом. Для этого необходимо иметь возможность общаться друг с другом, а также иметь доступ к таким ресурсам, как машины скорой помощи, полицейские машины или информацию о путях эвакуации, как показано в [18].

Тем не менее, из-за сложности одновременного управления сотнями тысяч транспортных средств современные технологии 4G не могут поддерживать такую большую плотность устройств. Некоторые другие важные функции, такие как задержка и качество обслуживания, необходимы для его достижения. Например, транспортному средству с 4G потребуется около 1,5 м, чтобы задействовать тормоза. В то время как автомобилю с 5G для этого потребуется всего 2,5 см, что поможет избежать аварий. Точно так же, если автомобиль въезжает в зону с низким покрытием или в очень густонаселенную зону, соединение 4G выходит из строя. Однако соединение 5G теоретически всегда будет иметь покрытие, позволяющее поддерживать стабильное соединение в любом месте и в любое время [3].

Следовательно, в рамках целей IoT и умных городов транспортные средства играют важную роль, которая ведет к Интернету транспортных средств (IoV), который сосредоточен не только на взаимодействии между транспортными средствами, но также и с людьми, городами или даже странами [17,19].

ВЫВОДЫ

Несмотря на то, что технологии 5G еще не вышли на рынок, многие ожидают появления всех возможных приложений, которые появятся благодаря их качеству, во многих случаях улучшая услуги, представленные предыдущими сетями, но в других случаях предлагая инновационные услуги.

Новые концепции Интернета вещей, умных городов и интеллектуальных транспортных систем — это три основные парадигмы, которые будут продвигаться с появлением технологий 5G. На данный момент стало возможным достичь базового уровня услуг на основе IoT из-за ограничений технологий 4G, но благодаря возможностям доступности сети в любом месте, в любое время с более высокой скоростью передачи данных, мы, наконец, можем получить реальную возможность подключения среди большого количества мобильных устройств.

Частный случай интеллектуального транспорта, где транспортные средства рассматриваются как интеллектуальные мобильные устройства, способные подключаться к сети для обмена информацией о своей среде, является темой, имеющей большое значение для интеллектуального планирования ресурсов в умном городе. Фактически, для правительств и современного экономического развития в целом, жизненно важно улучшить систему управления транспортом и способствовать устойчивости. Оптимизация транспортной системы приведет к снижению воздействия на окружающую среду и экономии энергии, а также времени и денег.

Несмотря на огромные преимущества, которые демонстрируют наступление эры 5G и Интернета вещей, в технологической сфере все еще существуют проблемы (например, решение проблем покрытия и полосы пропускания, необходимых для приложений реального времени). Однако есть также социальные и этические проблемы, связанные с включением новых услуг, которые будет нелегко освоить населению, как в случае беспилотных транспортных средств внутри города и возможного неправомерного доступа к личной информации пользователей, в связи с тем, что все их данные будут размещены в сети. Такие проблемы связаны с безопасностью, но, если рассматривать их со стороны предотвращения несчастных случаев со смертельным исходом в одном случае, то с другой стороны, они рассматриваются как возможность надежной защиты персональной информации.

Список литературы:

1. Prinima, D.; Pruthi, D.J. Evolution of Mobile Communication Network: From 1G to 5G. Int. J. Innov. Res.
2. Comput. Commun. Eng. 2016, 4, 224–227.
3. Gupta, A.; Jha, R.K. A Survey of 5G Network: Architecture and Emerging Technologies. IEEE Access 2015, 3, 1206–1232. 
4. Sawanobori, T.K. The Next Generation of Wireless: 5G Leadership in the U.S. (White Paper); Technical Report; CTIA Everything Wireless: Washington, DC, USA, 2016.
5. Samsung. 5G Vision (White Paper); Technical Report; Samsung Electronics Co.: Suwon-si, Korea, 2015.
6. Zanella, A.; Bui, N.; Castellani, A.; Vangelista, L.; Zorzi, M. Internet of Things for Smart Cities. IEEE Internet Things J. 2014, 1, 22–32. 
7. Nassar, A.S.; Montasser, A.H.; Abdelbaki, N. A Survey on Smart Cities’ IoT. In Proceedings of the International Conference on Advanced Intelligent Systems and Informatics, Cairo, Egypt, 9–11 September 2017; Hassanien, A.E., Shaalan, K., Gaber, T., Tolba, M.F., Eds.; Springer: Cham, Switzerland, 2017.
8. Yan, J.; Liu, J.; Tseng, F.M. An evaluation system based on the self-organizing system framework of smart cities: A case study of smart transportation systems in China. Technol. Forecast. Soc. Chang. 2020, 153, 119371. 
9. Appio, F.P.; Lima, M.; Paroutis, S. Understanding Smart Cities: Innovation ecosystems, technological advancements, and societal challenges. Technol. Forecast. Soc. Chang. 2019, 142, 1–14. 
10. Mehmood, Y.; Ahmad, F.; Yaqoob, I.; Adnane, A.; Imran, M.; Guizani, S. Internet-of-Things-Based Smart Cities: Recent Advances and Challenges. IEEE Commun. Mag. 2017, 55, 16–24. 
11. Nikam, S.; Ingle, R. Criminal Detection System in IoT. Int. J. Control Theory Appl. 2017, 10, 11–16.
12. García, C.G.; Meana-Llorián, D.; G-Bustelo, B.C.P.; Lovelle, J.M.C.; Garcia-Fernandez, N. Midgar: Detection of people through computer vision in the Internet of Things scenarios to improve the security in Smart Cities, Smart Towns, and Smart Homes. Future Gener. Comput. Syst. 2017, 76, 301–313. 
13. Li, J.Q.; Yu, F.R.; Deng, G.; Luo, C.; Ming, Z.; Yan, Q. Industrial Internet: A Survey on the Enabling Technologies, Applications, and Challenges. IEEE Commun. Surv. Tutor. 2017, 19, 1504–1526. 
14. Gluhak, A.; Krco, S.; Nati, M.; Pfisterer, D.; Mitton, N.; Razafindralambo, T. A survey on facilities for experimental internet of things research. IEEE Commun. Mag. 2011, 49, 58–67. 
15. Alabady, S.; Al-Turjman, F.; Din, S. A Novel Security Model for Cooperative Virtual Networks in the IoT Era. Int. J. Parallel Program. 2020, 48, 280–295. 
16. Ahad, M.; Paiva, S.; Tripathi, G.; Feroz, N. Enabling technologies and sustainable smart cities. Sustain. Cities Soc. 2020, 61, 102301. 
17. Masuda, Y.; Zimmermann, A.; Shirasaka, S.; Nakamura, O. Internet of robotic things with digital platforms: Digitization of robotics enterprise. Smart Innov. Syst. Technol. 2021, 189, 381–391.
18. Gerla, M.; Lee, E.K.; Pau, G.; Lee, U. Internet of vehicles: From intelligent grid to autonomous cars and vehicular clouds. In Proceedings of the 2014 IEEE World Forum on Internet of Things (WF-IoT), Seoul, Korea, 6–8 March 2014; pp. 241–246.
19. Ray, P.P.; Mukherjee, M.; Shu, L. Internet of Things for Disaster Management: State-of-the-Art and Prospects. IEEE Access 2017, 5, 18818–18835.
20. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Панкратов Д.Ю. Технологии в системах радиосвязи на пути к 5G. — М.: Горячая линия – Телеком, 2014. — 280 с.
21. Крейнделин В.Б., Усачев В.А. LTE-Аdvanced pro как основа для новых сценариев M2M // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №3. С. 28-32.
22. Зубарев Ю.Б., Трофимов Ю.К., Шлома А.М., Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б. Пути повышения пропускной способности мобильных систем 3-го поколения // Электросвязь, 2001, №3. С. 9-11.
23. Крейнделин В.Б., Смирнов А.Э., Бен Режеб Т.Б.К. Исследование радиоинтерфейса беспроводных систем межмашинного взаимодействия М2М // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. Том 8. №6. С. 71-74.
24. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б. Проблема повышения спектральной эффективности и емкости в перспективных системах связи 6G // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Том 14. №2. С. 25-31.