Эшелонированные сети 5G как базовый элемент цифровизации отраслей

Успешная цифровизация отраслей требует коренного изменения принципов построения сетей и вычислительных узлов и применения очень смелых, нестандартных, граничащих с фантастикой технических и экономических решений.

Проведенное J’son & Partners Consulting исследование обосновывает необходимость одного из таких решений – разработки и развертывания эшелонированных сетей распределенных вычислений нового поколения, простирающихся от поверхности Земли до космического пространства. Это на первый взгляд совершенно фантастическое направление является, как ни странно, единственным экономически обоснованным способом обеспечения характеристик, требуемых цифровизацией от ИКТ-инфраструктуры.

Существующие сети не позволяют ответить на вопрос - каким образом можно обеспечить окупаемое развертывание сетей, соответствующих требованиям индустриальных применений – как по объему, QoS, SLA и цене, так и по географии покрытия.

Обеспечить покрытие больших территорий, высокую доступность и при этом низкую удельную стоимость передачи и обработки данных можно только объемными (эшелонированными) сетями. Такие сети включают в себя не только наземный, но и воздушный низковысотный и стратосферный эшелоны, космический низко- и геостационарный эшелоны. Они используют единую программную оркестрацию, то есть действуют как единая программно-управляемая сеть, а не как набор разрозненных сетей.

Более того, такие сети не только осуществляют передачу данных, но и производят вычисления над ними в узлах сети. Это означает, что вычислительные мощности (multi-tenancyedgecomputing, MEC) должны располагаться не только на земле, но и в воздухе, и в космосе, а узлы такой сети – распределенного ИКТ-облака, должны быть комбинированными сетевыми и вычислительными узлами.

Эшелонирование необходимо для того, чтобы обеспечить для территориально-распределенных кибер-физических систем существенно более одной конфигурации сквозного сетевого слоя, при которых достигаются требуемые кибер-физической системой технические характеристики. Это позволит системе управления в каждый момент времени выбирать наименее дорогостоящую из допустимых конфигураций слоя, обеспечивающих требуемые кибер-физическими системами характеристики.

В настоящее время идет быстрое наращивание космической группировки. В дополнение к геостационарным спутникам, традиционно выступающим основой спутниковой связи, формируется новый сегмент – низкоорбитальных спутниковых группировок. Так, усилиями SpaceX на низкую орбиту (550 км) уже выведены более 800 спутников Starlink, оснащенных активной фазированной антенной решеткой (АФАР). Технология обеспечивает скорость 100 Мбит/с и выше на абонента в обоих каналах (UL и DL). Ожидается, что количество спутников в группировке Starlink вырастет до 12 тыс. к середине 2020-х годов.

SpaceX рассчитывает на получение 30 млрд. долл. ежегодной выручки от оказания услуг связи на базе этой группировки. Но эти цифры просто меркнут на фоне потенциального объема выручки от услуг на базе перспективных программно-управляемых сетей распределенных вычислений в целом, одним из эшелонов которой являются низкоорбитальные спутниковые группировки. Так, уже по состоянию на 2019 год, по оценке J’son&PartnersConsulting, потенциал составлял 250 млрд долл, а в 2030 году он может достигнуть $1,4 трлн, или 85% от существующего рынка услуг связи в мире ($1,6 трлн). В России этот потенциал может составить $2,3 млрд в 2030 году.

Платформы для низковысотного атмосферного сегмента находятся в стадии высокой производственной готовности. В основном, это небольшие дроны тяжелее воздуха и привязные аэростаты – уже опробованные и серийно выпускаемые платформы. Причем последние могут быть и носителями MEC.

Наибольшую сложность и инновационность представляет из себя стратосферный сегмент. Он очень важен, поскольку занимает промежуточное положение между спутниковой и низковысотной группировкой. Стратосферные платформы, как и привязные аэростаты, могут быть носителями MEC, чего не могут низкоорбитальные спутники (масса спутника Starlink лишь около 250 кг). То есть без стратосферного сегмента возникает большой разрыв по задержке между MEC на поверхности Земли и на низковысотных привязных аэростатах, и геостационарными спутниками. При размещении вычислительных узлов на стратосферных платформах задержка между абонентом на поверхности Земли и платформой не превышает 5 мс, что позволяет реализовывать наиболее требовательный индустриальный 5G-кейс URLLC даже при полном отсутствии наземного сегмента.

Стратосферный сегмент может быть сформирован платформами трех типов – геостационарными дирижаблями, самолетоподобными аппаратами тяжелее воздуха и управляемо дрейфующими в стратосфере аэростатами. Первые два типа платформ сложнее в части обеспечения автономного энергоснабжения двигательной установки, третий тип – в части технологии управления сетью, поскольку ее узлы подвижны и лишь частично управляемы.

Как следует из публикации «Долговременные стратосферные платформы связи и наблюдения. Новый этап развития» (Герасимов А.В. и соавторы), проблему управляемых длительных полетов в стратосфере пытаются решить уже более 30 лет. Изначально основной задачей стратосферных управляемых платформ было обеспечение ситуационной осведомленности для систем сетецентрического управления боевыми действиями, а источником финансирования работ выступал оборонный бюджет США. Среди таких проектов условного «первого поколения» можно отметить проекты Hi-Sentinel, HALE-D, ISIS и ряд других, из них летали только Hi-Sentinel и HALE-D.

Основная причина отсутствия в настоящий момент действующих стратосферных платформ, несмотря на более чем 20 лет их разработки, состоит в низком уровне готовности ключевых технологий, среди которых:

• аккумуляторы с характеристиками, на порядок превосходящими существующие;

• легкие и безопасные системы электропитания на топливных элементах;

• легкие тонкопленочные солнечные батареи с высоким КПД;

• системы автоматического управления полетом аппаратами легче воздуха;

• высокоэффективные средства беспроводной связи и радары;

• технологии обработки больших объемов данных в режиме реального времени.

Затраты на доведение этих технологий до состояния высокой степени готовности оцениваются в десятки миллиардов долларов, что на два порядка превосходит объем уже сделанных инвестиций в эти проекты со стороны оборонного бюджета США. Более того, даже в случае выделения необходимого объема средств производство соответствующего оборудования малыми партиями делает его чрезвычайно дорогостоящим, что сводит на нет потенциальные преимущества стратосферных платформ как разведывательных систем с низкой себестоимостью получения информации.

Индустриальные (отраслевые) применения 5G, для которых, как было сказано выше, нужны воздушные и космические эшелоны в дополнение к наземному, дают возможность профинансировать создание коммерческих стратосферных платформ.

Головные исполнители по военным программам создания стратосферных платформ военного назначения – корпорации LockheedMartin и NorthropGrumman, а также их основные подрядчики, выразили высокую заинтересованность в участии в программах создания стратосферных платформ двойного назначения, которые могут быть использованы как в военных, так и в коммерческих и научных целях. Также свою заинтересованность в участии заявили ведущие университеты США и американское космическое агентство NASA.

Окупаемость инвестиций в развертывание ИКТ-инфраструктуры нового поколения, ориентированной на поддержку процессов цифровизации отраслей реального сектора экономики, обеспечивается повышением эффективности использования основных фондов в этих отраслях. То есть цифровизация не нагружает экономику дополнительными затратами, а, наоборот, снижает их.

При этом экстремальная сложность цифровизации формирует большую потребность в новых квалифицированных рабочих местах, которые запускают мультипликатор создания рабочих мест во всех отраслях экономики. По оценкам Deloitte, он равен 16-ти.

Применительно к экономике России это означает, что из $72 млрд экономического эффекта по состоянию на 2030 год более $40 млрд можно направить на создание новых рабочих мест и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Это создаст 750 тыс. новых рабочих мест, которые в свою очередь создадут еще более 12 млн рабочих мест, итого – 13,3 млн рабочих мест.

Фото: Loon