Komunikacja w sieci 5G

Standard 5G rozwijany jest przez organizację o nazwie 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Właściwa nazwa technologii wykorzystywanej obecnie w sieciach 5G, czyli zgodnych z założeniami wydanymi przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) w dokumencie IMT-2020, to New Radio (NR) Access Technology. W analogiczny sposób nazwa technologii wykorzystywanej w sieciach 4G to LTE (Long-Term Evolution). 3GPP to międzynarodowa organizacja normalizacyjna stawiająca sobie za cel rozwój systemów i technologii telefonii komórkowej. W jej skład wchodzi siedem regionalnych organizacji standaryzacyjnych z Europy, Azji oraz Ameryki Północnej, a także organizacje branżowe, reprezentujące producentów sprzętu i oprogramowania. 3GPP jest autorem lub współautorem wielu wiodących technologii komórkowych, m.in. GSM (2G), UMTS (3G), LTE (4G) oraz właśnie NR (5G). Pierwszy opis technologii 5G zamieszczony został w publikacji 3GPP Release 15, wydanej w grudniu 2017 roku. W kolejnych latach opracowano dokumenty implementujące nowe funkcjonalności oraz wymagania.

W ramach 3GPP istnieją grupy robocze (TSG, Technical Specification Group) zajmujące się rozwojem poszczególnych obszarów technologii 5G. Do przykładowych obszarów roboczych zaliczyć można Radio Access Network (RAN) – grupę odpowiedzialną za zdefiniowanie najniższych warstw komunikacji radiowej, co obejmuje m.in. szczegółowy opis:

• warstwy fizycznej komunikacji,
• sposobów modulacji sygnału,
• trybów dostępu do sieci radiowej – zarówno w obszarze FDD (podział w domenie częstotliwości), jak i TFF (w domenie czasowej)
• sposobu kształtowania charakterystyki promieniowania anten (beamforming),
• metod detekcji oraz korekcji błędów.

Drugą istotną częścią jest Services & Systems Aspect (SA) – grupa zajmująca się tworzeniem architektury systemu oraz opisem dostępnych usług, co obejmuje m.in. aspekty związane z bezpieczeństwem, rozliczalnością transferu oraz zarządzaniem zasobami sieci.

Z kolei Core Network & Terminal (CT) to grupa odpowiedzialna za rozwój i przygotowanie wymagań m.in. dla urządzeń końcowych oraz procesu ich przekazywania pomiędzy sieciami.

Pasma pracy technologii 5G

Wraz z rozwojem technologii bezprzewodowych rośnie zapotrzebowanie na wykorzystanie widma elektromagnetycznego. Jak przedstawiono na rysunku 1, nowsze generacje sieci komórkowych zachowują pewien poziom zgodności wstecznej ze starszymi rozwiązaniami, zajmują jednak również nowe zakresy częstotliwości pracy, przesuwając się w rejony wyższych częstotliwości.

Trend ten kontynuowany jest w przypadku technologii 5G, która wkracza w obszar fal milimetrowych, czyli o częstotliwości powyżej 30 GHz. Pozwala to na zapewnienie bardzo szerokiego pasma dla pojedynczego kanału transmisyjnego, sięgającego 100 MHz dla częstotliwości do 6 GHz oraz nawet 400 MHz na wyższych częstotliwościach.

 

Rys. 1. Wykorzystanie widma elektromagnetycznego przez poszczególnego generacje technologii komunikacji komórkowej

Spektrum pracy technologii 5G podzielić można na pasma. Zakres FR1 obejmuje częstotliwości niskie do 1 GHz i średnie 1–7 GHz. Zakres FR2 zawiera tylko pasmo wysokich częstotliwości 24–48 GHz.

Jak pokazano na rysunku 2, wszystkie trzy pasma mogą być wykorzystywane równocześnie, aby zaspokoić różne potrzeby użytkowników dotyczące przepustowości transferu, opóźnienia transmisji oraz pokrycia obszaru.

 

Rys. 2. Zależność pomiędzy dostępnym pasmem, opóźnieniem, pokryciem obszaru a częsttliwością pracy komunikacji 5G. Wyższa częstotliwość zapewnia większą przepustowość oraz niższe opóźnienie transmisji, trudniej zapewnić jednak pełne pokrycie większego obszaru

Pierwsze realizacje sieci 5G ograniczają się do niższych zakresów częstotliwości (w obrębie FR1), co obejmuje pasma tradycyjnie wykorzystywane przez telefony komórkowe – od 450 MHz do 6 GHz. Pasmo to charakteryzuje się małym tłumieniem, co pozwala stosunkowo łatwo zapewnić odpowiednie pokrycie obszaru.

Wyższe zakresy częstotliwości (FR2) obejmują obszary fal milimetrowych, co umożliwia osiąganie znacznie większych szybkości transferu danych przy jednoczesnym bardzo małym opóźnieniu transmisji.

Transmisja z wykorzystaniem techniki OFDM

Transmisja danych w sieciach wykorzystujących technologię 5G opiera się na modulacji OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, czyli zwielokrotnienie z ortogonalnym podziałem częstotliwości). Technika ta pozwala na skuteczne ograniczenie wpływu zjawiska wielodrogowości – zamiast jednego "szybkiego" strumienia danych przesyła się wiele wolniejszych transmisji, mniej narażonych na oddziaływanie zakłóceń. Częstotliwości nośne poszczególnych transmisji dobrane są w taki sposób, aby maksymalnie ograniczyć wzajemne zakłócenia. Idea transmisji z wykorzystaniem modulacji OFDM przedstawiona została w uproszczony sposób na rysunku 3.

 

Rys. 3. Charakterystyka widmowa sygnału modulowanego za pomocą techniki OFDM

Modulacja OFDM pozwala znacząco poprawić stosunek sygnału do szumu w odbiorniku, zwiększając zasięg komunikacji. Poszczególne częstotliwości nośne mogą zostać wykorzystane do utworzenia wielu kanałów komunikacji (tak jak w przypadku kanałów radiowych), w przypadku 5G wiele częstotliwości stosowanych jest również do transmisji jednego sygnału, przez co zwiększa się efektywna prędkość transmisji.

Specyfikacja technologii 5G dopuszcza maksymalnie 3300 wartości częstotliwości nośnych. Odległości pomiędzy poszczególnymi nośnymi wynosić mogą 15, 30, 60, 120, 240 lub 480 kHz. Możliwy jest również wybór pomiędzy kilkoma sposobami modulacji – w standardzie dopuszczone jest kodowanie QPSK oraz 16-, 64-, 256-QAM. Taka elastyczność umożliwia projektantom sieci dopasowanie do lokalnych uwarunkowań środowiskowych oraz wymagań aplikacji.

Wydajność 5G w porównaniu do 4G

W porównaniu do poprzedniej generacji technologii komunikacji komórkowej (4G), 5G zapewnia szybszy transfer danych oraz jednoczesną obsługę większej liczby urządzeń. W standardzie tym przepływność transmisji w dół (download) wynosi do 20 Gb/s, zaś transmisji w górę (upload) sięga 10 Gb/s. Średnia wartość przepływności przy normalnym obciążeniu sieci powinna wynosić około 100 Mb/s. W porównaniu do poprzedniej technologii, stukrotnie zwiększono pojemność sieci oraz dziesięciokrotnie zmniejszono opóźnienia w komunikacji, dochodząc do wartości 10 ms. Dodatkowo, 5G od początku projektowane było z myślą o szerokiej gamie zastosowań, wykraczającej znacznie poza standardową komunikację komórkową, obejmującą m.in.:

• komunikację w systemach o krytycznym znaczeniu, z wymaganiami odnośnie do niskich czasów opóźnień,
• wymianę danych w systemach IoT,
• wsparcie dla szerokiego pasma częstotliwości (pasma licencjonowane, współdzielone oraz o swobodnym dostępie),
• nowe architektury sieci, takie jak połączenia point-to-point (bezpośrednia łączność pomiędzy węzłami sieci) oraz multi-hop.

 

Rys. 4. Przykładowe zastosowania różnych scenariuszy użycia standardu 5G

Scenariusze użycia

Definiując wymagania dla nowego standardu, ITU opisała podstawowe scenariusze jego użycia, mające w zamyśle odpowiadać wymaganiom współczesnych aplikacji oraz rozwojowi techniki. Scenariusze te to:

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband) – dostęp do sieci o wysokiej przepływności, dedykowany dla użytkowników mobilnych i stacjonarnych, obejmujący m.in. tradycyjne sposoby korzystania z sieci komórkowej przez użytkowników telefonów.
• URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communications) – aplikacje wymagające bardzo małych opóźnień (poniżej 1 ms) oraz bardzo wysokiej niezawodności transmisji (poziom błędów poniżej 10–5). Do tej kategorii zaliczyć można m.in. systemy i infrastrukturę o znaczeniu krytycznym.
• mMTC (Massive Machine Type Communications) – przeznaczone przede wszystkim do rozwiązań IoT, z możliwością zapewnienia obsługi bardzo wielu urządzeń w obrębie jednej sieci.

eMBB (Enhanced Mobile Broadband)

Scenariusz mMTC różni się dość istotnie od pozostałych dwóch przypadków użycia sieci 5G. W tym wypadku szerokie pasmo dostępne w sieci 5G wykorzystywane jest nie do zwiększenia szybkości transmisji, lecz do zapewnienia dostępu do sieci jak największej liczbie urządzeń o małych potrzebach odnośnie do przepływności. Scenariusz ten powstał z myślą o systemach IoT czy też inteligentnych miastach. W tego typu rozwiązaniach istnieje ogromna liczba węzłów sieci o względnie małych wymaganiach dotyczących szybkości i ilości transmitowanych danych.

Technologiczne fundamenty standardu 5G

Powstanie standardu 5G było możliwe dzięki postępowi dokonanemu w wielu dziedzinach elektroniki oraz szeroko pojętej inżynierii. Zaliczyć do nich można m.in. rozwój technik konstrukcji oraz produkcji układów scalonych. Postępująca redukcja rozmiaru technologicznego w procesie produkcyjnym układów CMOS doprowadziła do wzrostu mocy obliczeniowej dostępnej w układach mikroprocesorów. Jest to niezbędne do konstrukcji urządzeń komunikacyjnych, zarówno telefonów komórkowych, jak i stacji bazowych oraz całej infrastruktury sieci komórkowej. Dużą rolę odegrało również szersze wprowadzenie komponentów wykonanych z innych niż krzem materiałów półprzewodnikowych – do pracy z sygnałami wysokiej częstotliwości, powyżej 6 GHz, dobrze nadają się komponentu wykonane z takich związków jak germanek krzemu (SiGe), arsenek galu (GaAs), azotek galu (GaN) oraz węglik krzemu (SiC). Szczególnie GaN oraz SiC powszechnie stosowane są w konstrukcji stacji bazowych, wymagających zarówno pracy z sygnałem o dużej częstotliwości, jak i dużej mocy. Na rysunku 5 przedstawiono zakresy pracy wybranych materiałów półprzewodnikowych z szeroką przerwą energetyczną, mających zastosowanie w układach technologii 5G.

 

Rys. 5. Obszar pracy wybranych materiałów półprzewodnikowych w zakresie mocy oraz częstotliwości sygnału

Konstrukcja układów pracujących w technologii 5G wymagała postępu nie tylko w dziedzinie wytwarzania komponentów półprzewodnikowych, ale również projektowania oraz montażu obwodów drukowanych. W przypadku sygnałów wysokiej częstotliwości dokładność wykonania ścieżek oraz połączeń w systemie jest niezwykle istotna, ponieważ nawet milimetrowych wymiarów przewód lub fragment ścieżki może stać się anteną lub doprowadzić do powstania niedopasowania impedancyjnego.

Kolejnym niezwykle ważnym elementem systemów 5G są anteny. Wysoka częstotliwość sygnału umożliwia stosowanie anten o niewielkich rozmiarach. W stacjach bazowych korzysta się z szyków antenowych typu MIMO (Multi-Input Multi-Output), co pozwala na efektywne kształtowanie wiązki sygnału. Co więcej, technologia MIMO pozwala na adaptacyjne kształtowanie charakterystyki promieniowania stacji w zależności od bieżących potrzeb systemu – sygnał może być kierowany w kierunku konkretnych użytkowników zamiast dookólnie.

Podsumowanie

Założenia i zadania technologii 5G wykraczają znacząco poza rolę standardu komunikacyjnego do telefonii komórkowej. Rozwiązanie to zaprojektowano z myślą o szerszej gamie scenariuszy użycia, obejmującej również systemy czasu rzeczywistego oraz IoT. Upowszechnienie tej technologii niewątpliwie doprowadzi w najbliższym czasie do powstania wielu ciekawych aplikacji oraz zastosowań, korzystających z oferowanych możliwości komunikacyjnych.

Damian Tomaszewski