Sieci 5G – potencjał i kontrowersje

Prędkości transmisji już osiągane w sieciach 5G znacznie przewyższają te w sieciach 4G. Przewiduje się, że w przyszłości, gdy pod tym względem ma jeszcze nastąpić poprawa, w porównaniu z sieciami 5G nawet obecnie uważane za szybkie sieci światłowodowe będą się wydawać powolne.

Prędkość transmisji i opóźnienia w sieciach 5G

Obecnie średnie prędkości transmisji w już działających sieciach 5G sięgają w niektórych krajach 250 Mb/s, przy szczytowych wartościach przekraczających 500 Mb/s. Dla porównania w sieciach 4G średnia prędkość transmisji wynosi 20–30 Mb/s. A trzeba pamiętać, że to dopiero początek. W miarę rozwoju sieci piątej generacji i dedykowanej im infrastruktury sieciowej, w zakresie której obecnie bazują one w dużej mierze na istniejącej infrastrukturze sieci 4G, prędkości jeszcze wzrosną. Docelowo ma to być co najmniej 10 Gb/s, co pozwoliłoby na pobieranie na przykład materiałów wideo w wysokiej rozdzielczości w czasie zaledwie kilku sekund, nieporównywalnie szybciej niż nawet w przypadku prędkości szczytowych w sieciach 4G, co trzeba dodać – rzadko dziś osiąganych.

Jeżeli chodzi o opóźnienia transmisji, w przypadku sieci 5G docelowa wartość to 1 ms, czyli kilkadziesiąt razy krócej niż w sieciach 4G. Oczywiście na razie nie została ona jeszcze osiągnięta. Mimo to postęp w tym zakresie już jest znaczący – na przykład pod koniec zeszłego roku opóźnienia w sieciach 5G typowo nie przekraczały 30 ms.

Sieci 5G powinny być w stanie obsługiwać znacznie więcej podłączonych urządzeń niż sieci LTE. Docelowo ich liczba ma sięgać miliona urządzeń na kilometr kwadratowy. Dzięki temu sieci piątej generacji mają sprostać zwiększonemu ruchowi sieciowemu, który jest spodziewany w związku przede wszystkim z rozwojem Internetu Rzeczy.

Częstotliwości w sieciach 5G

Sieci 5G mają działać w trzech pasmach częstotliwości. W zakresie poniżej 1 GHz można będzie uzyskać duży zasięg, a przeszkody jak ściany nie będą znacząco wpływać na jakość sygnału. Z drugiej jednak strony maksymalne osiągane prędkości transmisji nie będą w tym przypadku przekraczać 100 Mb/s.

Kolejne pasma obejmują zakres częstotliwości 3,4 GHz i 3,6–4 MHz. W ich przypadku zasięg transmisji jest krótszy, a tłumienie sygnału przez przeszkody, jak na przykład ściany budynków, jest silniejsze. Obejściem tych ograniczeń ma być zmiana w sposobie organizacji sieci na rzecz większej liczby mniejszych komórek. Wśród zalet tego pasma wymienić można z kolei: większą prędkość transmisji (maks. 1 Gb/s), mniejsze opóźnienia i możliwość obsługi jednocześnie większej liczby użytkowników.

Docelowe parametry sieci 5G, o których pisaliśmy na wstępie, mają być osiągane w paśmie częstotliwości powyżej 24 GHz, czyli w zakresie fal milimetrowych. Prędkości transmisji rzędu kilkudziesięciu Gb/s i opóźnienia rzędu pojedynczych mikrosekund mają być uzyskiwane kosztem jeszcze krótszego zasięgu oraz silniejszego tłumienia przez przeszkody naturalne (np. terenowe), nie wspominając o ścianach budynków. Wymusi to dalsze zagęszczanie infrastruktury sieciowej przez wykorzystywanie większej liczby stacji bazowych małej mocy oraz nowych rozwiązań w zakresie formowania wiązki. Tego typu sieci najlepiej będą się sprawdzać w silnie zatłoczonych miejscach, na przykład w halach sportowych czy węzłach komunikacyjnych, gdzie krótki zasięg nie będzie problemem, za to wymagana będzie obsługa transmisji jednocześnie dla bardzo dużej liczby użytkowników.

Jak to się zaczęło?

W 2012 roku organizacja International Telecommunication Union (ITU) rozpoczęła ustalanie minimalnych wymagań dla sieci komórkowych piątej generacji. Po pięciu latach wyniki tych prac zostały przedstawione w postaci raportu, w którym określono kilkanaście warunków do spełnienia przez przyszłe sieci 5G.

Wówczas włączyła się organizacja 3rd Generation Partnership Project (3GPP), rozpoczynając prace nad standardem sieci komórkowych piątej generacji. Z końcem 2017 roku 3GPP przedstawiło tzw. specyfikację NSA (non-standalone), a rok później specyfikację SA (standalone). Standardy określone przez tę organizację ściśle odpowiadają zaleceniom ITU.

3GPP założyła, że sieci 5G początkowo będą udostępniane poprzez ulepszanie technologii LTE, LTE-Advanced i LTE Advanced Pro jako NSA. Dzięki wykorzystaniu do wdrożenia sieci piątej generacji istniejącej infrastruktury sieciowej LTE zapewniona będzie wsteczna kompatybilność sieci 5G i 4G. Następnie, w wyniku rozwoju nowego interfejsu radiowego (New Radio, NR), powstać mają sieci SA 5G NR.

Nowy interfejs radiowy

Nowy interfejs radiowy z założenia powinien poprawić wydajność, elastyczność, skalowalność oraz sprawność energetyczną obecnych sieci komórkowych, przy maksymalnym wykorzystaniu możliwości dostępnego pasma częstotliwości. Ponieważ będzie tylko jednym z wielu elementów przyszłych sieci 5G, należy go też zaprojektować do pracy w ramach większej struktury o elastycznej architekturze. Nowy interfejs radiowy ma się opierać na trzech komponentach.

Jednym z nich jest OFDM. Już na wczesnym etapie prac zdecydowano, że sieci piątej generacji będą wykorzystywać tę technologię w różnych wariantach w zależności od przypadków użycia, zoptymalizowanych pod kątem wysokiej wydajności przy niskiej złożoności i obsługi różnych pasm częstotliwości. Technika OFDM jest wykorzystywana zarówno przez LTE, jak i Wi-Fi. To sprawia, że sieci 5G będą pierwszą generacją sieci komórkowych, która nie będzie oparta na całkowicie nowym rozwiązaniu w tym zakresie.

Kolejnym elementem nowego interfejsu radiowego ma być wspólny elastyczny szkielet, który umożliwi wydajne przełączanie różnorodnych usług i zapewni kompatybilność w przód dla przyszłych zastosowań. Trzeci komponent stanowić mają różne technologie, które pozwolą zrealizować planowane nowe usługi. Przykładową z nich ma być obsługa transmisji dużych ilości danych, na przykład w przesyłaniu strumieniowym albo grach online, przy zapewnieniu użytkownikom korzystającym z nich na urządzeniu mobilnym wrażeń odnośnie do jakości i ciągłości transmisji, jak w przypadku korzystania ze stałego łącza internetowego. Do rozwiązań, które mają to umożliwić, zalicza się m.in.: Gigabit LTE, massive MIMO, techniki współdzielenia pasma.

Sieci 5G – przykłady przyszłych zastosowań

Przewiduje się, że sieci piątej generacji mogą zrewolucjonizować branżę motoryzacyjną, dzięki temu że za ich pośrednictwem możliwe będzie podłączanie pojazdów do innych aut, łączność z pieszymi, infrastrukturą przydrożną i z chmurą. Umożliwi to rozwój wielu nowych usług. Wśród nich wymienić można: komunikację pojazdów we fl ocie w celu skoordynowania ich jazdy, co może okazać się przydatne w logistyce i transporcie oraz dzielenie się danymi (zamiarami kierowcy, danymi z czujników oraz kamer pokładowych) z infrastrukturą drogową, innymi pojazdami, pieszymi, chmurą. To ostatnie pozwoli na poprawę bezpieczeństwa i płynności ruchu na drogach oraz na częściowo, a nawet całkowicie zautomatyzowaną jazdę. Kolejne potencjalne zastosowanie komunikacji za pośrednictwem sieci 5G to zdalne kierowanie, na przykład autami przemieszczającymi się w trudnych warunkach, przewożącymi niebezpieczne ładunki, pojazdami transportu publicznego.

Możliwość korzystania z sieci 5G jest również warunkiem rozwoju inteligentnych miast (smart city). Dzięki bardzo małym opóźnieniom wykonalne i bezpieczne będzie także zdalne sterowanie ciężkim sprzętem. Zmniejszy to ryzyko dla obsługi w pracy w niebezpiecznych warunkach, jak też pozwoli specjalistom kontrolować maszyny z dowolnego miejsca na świecie. Szybkość transmisji i małe opóźnienia sieci 5G przyczynią się również do rozwoju telemedycyny, a w dalszej przyszłości nawet zdalnej chirurgii.

Kontrowersje

Na koniec nie można nie wspomnieć o kontrowersjach, które towarzyszą wdrażaniu technologii 5G. Oczywiście nie jest to nic zaskakującego, zwykle bowiem nowinkom technologicznym towarzyszą obawy. W tym przypadku jednak zaskakiwać może skala oraz poziom absurdu teorii spiskowych na temat sieci komórkowych piątej generacji.

Jednym z możliwych wyjaśnień, dlaczego akurat w przypadku tej technologii aktywowało się tak wielu przeciwników i dlaczego sięgają w swoich wywodach do niedorzecznych argumentów, może być fakt, że upowszechnianie się sieci 5G zbiegło się w czasie z pandemią koronawirusa. W rezultacie napięcia i lęki temu towarzyszące sprzyjały popularyzowaniu się nawet najmniej prawdopodobnych teorii spiskowych. A tych na temat sieci 5G usłyszeć i przeczytać można było wiele jeszcze przed zarazą.

Ostrzegano m.in. o tym, że sieci 5G mogą powodować raka. Przewidywano, że będzie można za ich pośrednictwem wpływać na pogodę. Względnie nowa teoria sugeruje również, że sieci 5G mogły wywołać epidemię koronawirusa.

Uzasadnieniem ma być podobno to, że rozwój sieci piątej generacji i pierwsze przypadki zarażeń miały miejsce w tym samym czasie, czyli pod koniec 2019 roku, a Chiny niedawno uruchomiły jedną z największych sieci 5G na świecie. W rzeczywistości pierwsze sieci 5G zaczęły działać w 2018 roku, w Korei Południowej i w USA. Podobnie żadnego uzasadnienia w wynikach badań nie znajduje teoria, według której sieci 5G sprzyjają rozprzestrzenianiu się koronawirusa.

W czasie nasilenia się pandemii COVID-19 teorie spiskowe dotyczące sieci komórkowych piątej generacji cieszyły się takim zainteresowaniem, że w mediach społecznościowych zaczęły pojawiać się zachęty do niszczenia infrastruktury sieci 5G. W reakcji na to tego typu posty były usuwane przez administratorów.

Podsumowanie

O ile powyższe kontrowersje można zaliczyć do kategorii ciekawostek, które nie będą miały wpływu na rozwój sieci piątej generacji, o tyle realnym wyzwaniem jest na razie koszt sieci 5G, zarówno dla konsumentów, jak i ich operatorów. W związku z tym, że potrzebne są inwestycje w infrastrukturę, oczekuje się, że koszty wdrożenia sieci komórkowych piątej generacji będą bardzo wysokie i, jak to bardzo często bywa, możliwe, że częściowo zostaną nimi obciążeni użytkownicy. Obecnie znaczne są też koszty urządzeń kompatybilnych z sieciami 5G. To jednak, podobnie jak ich na razie ograniczona dostępność, z pewnością się zmieni w miarę, jak sieci piątej generacji będą się upowszechniać.

Monika Jaworowska