Sieci 5G to przyszłość

Stało się już bowiem regułą, że co około dziesięć lat w łączności komórkowej następuje przełom. W rezultacie od kilkudziesięciu lat każda dekada ma swoją generację sieci.

Od 1G do LTE

Pierwsze sieci komórkowe zostały uruchomione w latach 80. zeszłego stulecia, zaś sieci GSM w latach 90. XX wieku. Na przełomie stuleci zaczęły działać sieci 3G, natomiast w 2010 roku można już było korzystać z sieci LTE. Według powszechnej opinii sieci piątej generacji zaczną działać w 2020 roku.

Każda kolejna generacja sieci miała, przynajmniej w założeniach, znosić ograniczenia poprzedniej. Za słabości analogowej telefonii komórkowej 1G uznawany był niski poziom bezpieczeństwa oraz ograniczone możliwości transmisji. "Naprawiono" je w sieciach GSM. Sieci 3G miały rozszerzyć zakres usług poza transmisję głosu o przesył wideo, dźwięku i danych, z kolei sieci LTE - poprawić jakość tej transmisji.

Jaki jest cel sieci 5G?

Cel, który miałby przyświecać pracom nad telefonią komórkową piątej generacji, pozostaje niejasny. Największe słabości sieci 4G to bowiem zasięg i cena, a żadne z tych ograniczeń nie wymaga wprowadzenia rewolucyjnych rozwiązań - w zamian wystarczy zwiększyć nakłady na infrastrukturę sieci LTE i LTE Advanced. Dlatego zakłada się, że sieci 5G, inaczej niż wcześniejsze, nie mają rozwiązywać obecnych problemów, ale odpowiadać na przyszłe potrzeby. Te ostatnie trudno jest przewidzieć, a jak pokazuje historia, prognozy i tak są przeważnie nietrafione. Wystarczy sobie przypomnieć, że parę lat wstecz nikt nie zakładał, że w sprzedaży pojawią się smartfony ani jak zmienią one rynek usług telekomunikacyjnych.

Nie oznacza to jednak, że prace nad sieciami 5G należy wstrzymać. Wręcz przeciwnie, żeby w 2020 użytkownikom telefonii komórkowej można było zaproponować coś nowego, powinno się zacząć działać w tym kierunku już teraz.

Kto już pracuje nad sieciami 5G?

Za dwa, trzy lata bowiem podstawy standardu sieci komórkowych 5G powinny już być gotowe. Zainteresowanie tym tematem jest spore ze strony różnych organizacji, jak 3GPP, ITU i IEEE oraz firm, m.in. Nokii, Huawei oraz Samsunga. Angażują się także ośrodki akademickie i rządy.

Przykładem jest porozumienie, jakie podpisała Unia Europejska z Koreą Południową. W ramach tej umowy kraje te zobowiązały się do współpracy nad rozwojem sieci komórkowych piątej generacji. Na ten cel Unia Europejska przeznaczy 700 mln euro. Z kolei w Wielkiej Brytanii zainwestowano ponad 70 mln funtów w akademickie centrum badań nad sieciami 5G, które otwarto na Uniwersytecie Surrey. W 5G Innovation Centre (5GIC) tematem tym zajmuje się ponad 100 naukowców. Do dyspozycji mają oni w pełni funkcjonalne stanowisko testowe sieci 4G. W miarę postępu prac nad sieciami 5G będzie ono rozbudowywane.

Parametry i aplikacje sieci 5G

Stopniowo konkretyzują się parametry transmisji w sieciach 5G. Jak do tej pory doprecyzowano dwa z nich: prędkość transmisji w łączu "w dół" ma przekraczać 1 Gb/s, a docelowo osiągnąć nawet 100 Gb/s, zaś opóźnienia mają być krótsze niż 1 ms. Oprócz tego sieci kolejnej generacji będą dostępne bez pogorszenia jakości transmisji, bez względu na aktualną liczbę użytkowników.

Mniej więcej wiadomo już także, gdzie sieci piątej generacji będą miały zastosowanie. Wśród aplikacji sieci 5G wymienia się m.in. komunikację M2M (machine to machine), Internet Rzeczy, łączność z autonomicznymi samochodami, infrastrukturą inteligentnych miast oraz telemedycynę.

Kolejną kwestią, jaką należy rozważyć, są możliwości technologiczne realizacji sieci 5G. Jednym z ważniejszych problemów jest ograniczona dostępność pasma częstotliwości.

Fale milimetrowe

Problem ten towarzyszył wprowadzaniu również poprzednich generacji sieci komórkowych. Za każdym razem zarządzający zasobami częstotliwości musieli wygospodarować wymagane przez operatorów zakresy, zorganizować na nie przetargi, a następnie nadzorować, czy są wykorzystywane zgodnie ze zobowiązaniami, jakie przy ich zakupie przyjęli na siebie operatorzy. Z powodu konieczności dopełnienia procedur nierzadko dochodziło do opóźnień we wdrażaniu nowych technologii, jak i do nieporozumień między konkurującymi operatorami.

Nie inaczej ma być w przypadku sieci 5G, tym bardziej że dla nich pasma już po prostu może "zabraknąć". Problemem będzie zwłaszcza roaming. Odpowiedzią na to ograniczenie mają szansę stać się fale milimetrowe o częstotliwości od 30 do 300 GHz, czyli długości od 1 do 10 mm.

Zalety fal milimetrowych

Fale milimetrowe, EHF (Extremly High Frequency), do tej pory nie były w pełni wykorzystywane, bo brakowało komponentów elektronicznych do budowy układów odbiorczych i nadawczych. Teraz, gdy się to zmienia, przewiduje się, że "odciążą" one niższe, silnie obecnie eksploatowane, częstotliwości.

Nadzieje pokładane w falach milimetrowych są uzasadnione z wielu powodów. Zakres ich częstotliwości jest bardzo szeroki - aktualnie wykorzystywane pasmo stanowi zaledwie jego ułamek. Fale milimetrowe umożliwią też uzyskanie przepustowości rzędu 10 Gb/s, a nawet większej. Kolejna zaleta to mniejsze anteny. Przykładowo dipol półfalowy dla częstotliwości 900 MHz ma długość 15 cm, a dla 60 GHz - 2,5 mm. Mniejsze rozmiary układów nadawczo-odbiorczych stanowią ogromną zaletę w przypadku urządzeń mobilnych. Ponadto dla fal milimetrowych można zastosować specjalną technikę formowania wiązki (beamforming).

Wady fal EHF

Wadą łączności na falach milimetrowych jest krótki zasięg. Poza tym niekorzystne jest zjawisko ich tłumienia przez wodę (deszcz, mgłę, przy dużej wilgotności) oraz w atmosferze, które jeszcze skraca odległość transmisji. Absorpcja promieniowania jest silna szczególnie dla częstotliwości 60 GHz. Dlatego dotychczas chętnie korzystało z niej wojsko i wywiad, na przykład w komunikacji pomiędzy satelitami. Atmosfera ziemska pełniła bowiem funkcję ekranu, który uniemożliwiał podsłuchiwanie transmisji. Krótki zasięg i tłumienie sygnału również można potraktować jako zaletę, bo dzięki niej urządzenia pracujące w sąsiedztwie nie będę się wzajemnie zakłócać. Ponadto problem tłumienia nie dotyczy wszystkich częstotliwości. Na przykład sygnały w pasmach 28, 38, a nawet 70 GHz nie są tłumione silniej niż te na częstotliwościach wykorzystywanych obecnie w sieciach komórkowych i Wi-Fi.

Pierwsze sukcesy na falach EHF

Mimo dużych oczekiwań, pokładanych w falach milimetrowych, wymagają one jeszcze wielu badań, m.in. w zakresie modeli ich propagacji, konstrukcji anten, ich wpływu na projekt urządzeń przenośnych i oddziaływania tych fal na ludzi. Upłynie więc trochę czasu, zanim w sprzedaży pojawi się odpowiednia infrastruktura sieciowa i urządzenia przenośne, które będą się komunikować w tym paśmie częstotliwości. Przewiduje się, że potrwa to co najmniej pięć lat, a w najgorszym przypadku nawet dziesięć.

Nadzieję na niespełnienie się tego negatywnego scenariusza niosą wyniki dotychczasowych prac nad komunikacją na falach EHF. Na przykład Nokii już udało się uzyskać prędkość transmisji powyżej 100 Gb/s na odległości ponad 10 metrów w paśmie 70 GHz, z kolei Samsungowi ponad 1 Gb/s na dystansie ponad 2 km w paśmie 28 GHz. Aby osiągnąć zakładane parametry sieci 5G, trzeba będzie także na nowo przemyśleć sposób ich organizacji. Jednym z pomysłów jest ich podział na małe komórki, wykorzystywane do tej pory przede wszystkim wewnątrz większych budynków (pikokomórki).

Reorganizacja sieci piątej generacji

W sieciach 5G ten typ komórek planuje się upowszechnić na terenach najgęściej zaludnionych aglomeracji miejskich, gdzie spodziewać się można największego natężenia ruchu sieciowego. Stacje bazowe dla małych komórek będą miały mniejszą moc i rozmiary niż te dla komórek, które obejmują większe obszary. Zapewni to nowe możliwości w zakresie ich instalacji, tak by przestały być elementem szpecącym krajobraz, a stały się jak najmniej widoczne. Przykładowe miejsca ich montażu to słupy oświetleniowe. Można je będzie również wbudowywać w cegły. Dzięki małym rozmiarom komórek lepsze pokrycie na ich krawędziach i małe opóźnienia staną się łatwo osiągalne.

Mniejsze komórki to jednak mniejszy zasięg, rzędu maksymalnie 300 metrów. Z tego powodu użytkownicy przemieszczający się po terenie podzielonym na wiele małych komórek mogą doświadczać przerw transmisji. Te są uciążliwe szczególnie w trakcie rozmowy. Rozwiązaniem może być używanie małych komórek wyłącznie do przesyłu danych niegłosowych. Innym sposobem jest przełączanie użytkowników, którzy przekraczają granice małych komórek, do stacji bazowych obsługujących większe komórki.

MIMO i SDN

Z sieciami 5G łączy się także technologię MIMO (Multiple Input, Multiple Output), czyli transmisji wieloantenowej, zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej. Zakłada ona wyposażenie odbiornika i nadajnika w wiele anten, liczonych w dziesiątkach, setkach, a nawet większej ich liczbie. Zwiększa to przepustowość sieci i polepsza widmową oraz energetyczną sprawność transmisji. Sieci piątej generacji poza rozwiązaniami sprzętowymi wymagają również innowacji programowych.

Jedną z nich jest koncepcja SDN (Software Defined Network). Zakłada ona rozdzielenie funkcji sieciowych na dwie oddzielne warstwy. Ta kontrolna decyduje o tym, jaką drogą kierowany będzie ruch sieciowy. Warstwa przetwarzania danych odpowiada natomiast za szybkie oraz sprawne przełączanie ruchu. Wdrożenie SDN ułatwi decentralizację zarządzania sieciami, co jest konieczne dla skrócenia opóźnień do wartości zakładanych dla sieci 5G.

Wielka niewiadoma

W przypadku sieci piątej generacji wyzwaniem będzie nie tylko osiągnięcie planowanych parametrów transmisji. Tak naprawdę jeszcze do końca nie wiadomo, jakie wyzwania stoją przed twórcami standardu dla sieci 5G. Dotychczas bowiem sieci komórkowe były projektowane pod kątem oczekiwań oraz możliwości urządzeń obsługiwanych przez ludzi, najpierw "zwykłych" telefonów, a potem smartfonów i tabletów. Z sieci piątej generacji mają tymczasem "samodzielnie" korzystać różne urządzenia w ramach Internetu Rzeczy. Przewidzenie wymogów wszystkich przypadków użycia sieci komórkowych jest z tego powodu bardzo trudne.

Monika Jaworowska