Technologia 5G to obecnie najnowszy standard organizacji komórkowej sieci telekomunikacyjnej (piąta generacja tego standardu), który pozwala na osiągnięcie większej przepustowości sieci oraz prędkości wymiany danych. Pierwsza pełna oraz oficjalna specyfikacja standardu opracowana została w 2019 roku, wtedy też zaczęły pojawiać się pierwsze produkcyjne implementacje tej technologii. Od tego czasu liczba urządzeń korzystających z tego standardu przyrasta niemal wykładniczo – szacuje się, że z końcem 2023 roku znajdowało się ich na całym świecie około 2 miliardów. Warto przyjrzeć się zatem podstawowym charakterystykom, za pomocą których opisać można tego typu układy.
Charakterystyka urządzeń
Urządzenia oraz układy komunikacyjne 5G mogą zostać opisane za pomocą szeregu parametrów, pozwalających na ich kategoryzację oraz grupowanie. Do najważniejszych z nich zaliczyć można:
- Mobilność: Urządzenia 5G mogą drastycznie różnić się pod względem mobilności. Istnieje duża grupa układów niemal nieruchomych, jak np. inteligentne urządzenia pomiarowe, parkometry czy też różnego rodzaju automaty płatnicze. Z drugiej strony spektrum znaleźć można układy takie jak telefony komórkowe czy różnego rodzaju moduły komunikacyjne montowane w pojazdach. Gdzieś pomiędzy sytuują się również systemy o ograniczonej mobilności, jak np. przenośne czytniki lub terminale płatnicze.
- Szybkość transmisji danych: kolejnym parametrem różnicującym wykorzystanie układów 5G jest wymaganie co do ilości wymienianych danych. Na jednej stronie skali umieścić można systemy wymagające ciągłej transmisji strumienia danych, jak np. instalacje monitoringu wizyjnego. Na przeciwległym biegunie napotkać zaś można układy przesyłające niewielkie paczki danych z bardzo niską częstotliwością, np. elementy rozproszonych systemów pomiarowych. Innym aspektem jest symetria wymiany danych – tzn. stosunek ilości danych transmitowanych do odbieranych. Charakterystyka ta również istotnie wpływa na dobór właściwego modułu komunikacyjnego.
- Rozmiar urządzenia: w wielu rozwiązaniach bardzo istotnym wymaganiem są fizyczne wymiary całego urządzenia lub systemu. Konieczność miniaturyzacji poszczególnych komponentów może przekładać się m.in. na ograniczenia dotyczące konstrukcji systemu antenowego oraz zasilania.
- Łatwość oraz możliwość serwisowania: w przypadku urządzeń rozmieszczanych w trudno dostępnym środowisku szczególnie istotną rolę odgrywa zdolność do długotrwałej autonomicznej pracy, bez konieczności serwisowania oraz jakiekolwiek ingerencji z zewnątrz. Podzespoły tego typu systemów powinny charakteryzować się podwyższoną wytrzymałością oraz żywotnością.
- Niezawodność: poszczególne zastosowania technologii 5G znacząco różnią się pod kątem wymagań dotyczących niezawodności. Dla systemów o znaczeniu krytycznym konieczne może być zastosowanie protokołu URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications). Dla urządzeń o mniejszych wymaganiach dotyczących niezawodności wystarczające może być korzystanie ze standardu RedCap (Reduced Capability), eMBB (Enhanced Mobile Broadband) lub mMTC (Massive Machine-Type Communications). Wspomniane standardy to w zasadzie różne oblicza technologii 5G, przeznaczone dp odmiennych kategorii urządzeń.
- Cena: zakładany koszt całego urządzenia istotnie wpływa na dobór poszczególnych jego komponentów. W konstrukcji prostego czujnika nie znajdziemy raczej rozbudowanego modułu komunikacyjnego, lecz prawdopodobnie nieskomplikowany układ o mocno ograniczonych możliwościach.
- Wymagania dotyczące bezpieczeństwa: wysoki poziom zabezpieczeń jest szczególnie istotny w przypadku urządzeń rozmieszczonych w środowisku o otwartym dostępie, a także w przypadku wszystkich elementów wchodzących w skład infrastruktury krytycznej. W takich przypadkach ważna jest zarówno ochrona danych "w spoczynku" – czyli podczas przechowywania ich w urządzeniu, jak i "w ruchu" – czyli podczas ich wymiany za pomocą protokołów komunikacyjnych.
Główne kategorie urządzeń
Obecnie moduły komunikacyjne 5G spotkać można nie tylko w smartfonach, lecz również w całej gamie innych urządzeń elektronicznych. Wraz z upływem czasu liczba zastosowań tej technologii wciąż rośnie – prognozuje się kontynuację tego trendu przynajmniej przez kolejną dekadę. Do najpopularniejszych kategorii urządzeń korzystających z technologii 5G zaliczyć można, poza telefonami komórkowymi:
- Okulary rozszerzonej rzeczywistości (AR) – prognozuje się, że technologia rozszerzonej rzeczywistości będzie odgrywać coraz większą rolę w cyfrowej transformacji systemów i procesów przemysłowych oraz biznesowych. Połączenie technologii rozpoznawania obrazów oraz algorytmów sztucznej inteligencji pozwoli zwiększyć efektywność pracy w magazynach, na liniach produkcyjnych oraz w wielu innych miejscach. Tego typu rozwiązania pozwalają również na prowadzenie zaawansowanych symulacji bez konieczności ponoszenia dużych nakładów finansowych na tworzenie fizycznej infrastruktury.
- Asystenci głosowi – tego typu urządzenia komunikują się z użytkownikiem jedynie za pomocą dźwięku, bez konieczności używania interfejsu graficznego. Rozwój tej kategorii produktów możliwy jest dzięki postępom w technologii rozpoznawania dźwięku oraz filtrowania szumów. Układy te stanowią często element systemów inteligentnego zarządzania budynkiem, są też jednym z komponentów wielu innych inteligentnych systemów i urządzeń.
- Elektronika noszona – urządzenia typu smartwatch oraz smartband stają się niemal tak popularne jak telefon komórkowy. Często mają przy tym zbliżone możliwości komunikacyjne, umożliwiając m.in. transfer danych, transmisję dźwięków oraz obrazów.
- Urządzenia IoT oraz IIoT – to bardzo szeroka kategoria układów, do której zaliczyć można niemal każde urządzenie mające łączność z siecią. Z reguły są to produkty o ograniczonej funkcjonalności, dedykowane do realizacji jednego lub kilku określonych zadań. Zaliczyć można do nich różnego rodzaju sensory oraz elementy wykonawcze, jak np. silniki elektryczne.
- Śledzenie zasobów – układy typu tracker stają się coraz popularniejsze nie tylko w przypadku systemów logistycznych, ale także dla użytkowników indywidualnych. Zasilane bateryjnie urządzenia o niewielkich rozmiarach umożliwiają śledzenie położenia najróżniejszych przedmiotów, jak np. bagażu podróżnego. Układy te wymagają wysokiej mobilności oraz globalnego dostępu do sieci, a także zdolności do ultraenergooszczędnej pracy.
- Czujniki pomiarowe – różnego typu inteligentne mierniki stają się coraz powszechniejszym elementem wyposażenia infrastruktury. Urządzenia te wymagają stosunkowo niewielkiego pasma transmisyjnego, ponieważ z reguły przesyłają niewielkie paczki danych w dość długich odstępach czasu.
RedCap
Pierwsza publikacja standardu 5G skupiała się głównie na rozwiązaniu eMBB, dedykowanym przede wszystkim do urządzeń mobilnych, takich jak smartfony oraz tablety, gdzie istotne jest przede wszystkim zapewnienie wysokiej przepustowości sieci i dużej szybkości transmisji danych. Istnieje jednak duża grupa urządzeń, szczególnie istotna w rozwiązaniach przemysłowych, gdzie szybkość transmisji danych nie jest tak ważna, znacznie większe znaczenie odgrywa zaś koszt urządzenia oraz zużycie energii. Z myślą o tego typu produktach opracowany został standard Reduced Capability (RedCap). Standard ten, będący elementem technologii 5G, pozwala na osiągnięcie szybkości transmisji do 150 Mbit/s (downlink) oraz 50 Mbit/s (uplink). Stanowi swego rodzaju uzupełnienie dla trzech głównych przypadków użycia technologii 5G, przedstawionych na rysunku 1. Powstał z myślą o urządzeniach, które nie potrzebują tak dużej szybkości transmisji, jak eMBB, ani tak niskich wartości opóźnień komunikacji jak URLLC. RedCap koncentruje się na zapewnieniu wysokiej energooszczędności oraz skalowalności sieci, jednak w sposób mniej restrykcyjny niż w przypadku mMTC. Jednym słowem, jest to swego rodzaju kompromis pomiędzy trzema skrajnymi przypadkami użycia technologii 5G.
Główna różnica pomiędzy charakterystyką standardów eMBB oraz RedCap to maksymalna szybkość transmisji danych, która jest ściśle powiązana z szerokością pasma transmisyjnego, w efekcie zaś wpływa na złożoność oraz koszt modułu komunikacyjnego. W przypadku eMBB szerokość pasma to 100 MHz (dla FR1, czyli zakresu częstotliwości poniżej 6 GHz), zaś dla RedCap jest to nie więcej niż 20 MHz. Dodatkowo, urządzenia eMBB mogą zwiększać szybkość transmisji poprzez złożone techniki modulacji (CA, Carrier Aggregation), które nie są wspierane w standardzie RedCap.
Dzięki ograniczeniu szerokości pasma komunikacyjnego oraz uproszczeniu sposobu kodowania i modulacji sygnału radiowego możliwe było znaczne ograniczenie kosztów modułów komunikacyjnych przeznaczonych dla układów RedCap w porównaniu do analogicznych komponentów w standardzie eMBB. Uproszczeniu uległ cały tor radiowy – od układu antenowego, poprzez ścieżki sygnałowe aż do układu odbiornika. Z tego powodu standard RedCap pozwala na upowszechnienie technologii 5G w urządzeniach IoT, które korzystały uprzednio ze starszych rozwiązań komunikacyjnych, jak np. technologii 4G.
Należy mieć jednak świadomość, że nie w każdym przypadku korzystanie ze standardów RedCap przyniesie wymierne korzyści. Przykładowo, jeśli urządzenie typu RedCap zostanie wykorzystane w aplikacji wymagającej cyklicznej transmisji dużej ilości danych, może to doprowadzić do znacznego wzrostu obciążenia sieci radiowej. Poprawna praca systemu może w takim przypadku wymagać rozbudowy pojemności sieci, co przełoży się na wzrost kosztów całego rozwiązania, nawet pomimo obniżenia kosztów pojedynczego urządzenia. Z tego powodu istotne jest zrozumienie możliwości i ograniczeń poszczególnych profili urządzeń opisanych w technologii 5G – w praktycznych zastosowaniach moduły standardu RedCap, szczególnie te niskobudżetowe, powinny być wykorzystywane przede wszystkim w urządzeniach przeznaczonych do wymiany ograniczonej ilości danych.
Do typowych obszarów zastosowań standardu RedCap zaliczyć można m.in. systemu, typu Smart Home, urządzenia noszone (zegarki, opaski) oraz systemy pomiarowe.
Przyszłym kierunkiem ewolucji standardu RedCap będzie prawdopodobnie rozszerzenie wsparcia dla urządzeń o jeszcze niższych wymaganiach w zakresie pasma transmisyjnego, kosztu oraz zapotrzebowania energetycznego. Kolejnym kamieniem milowym w rozwoju tej technologii ma być standard eRedCap (enhanced RedCap), pozwalający na ograniczenie pasma radiowego wykorzystywanego przez pojedyncze urządzenie do 5 MHz. Standard ten zapewniać ma szybkość transmisji porównywalną do LTE Cat-1.
W ogólności RedCap ma na celu zapewnienie tańszej alternatywy dla modułów oferujących pełne wsparcie technologii 5G, jego zadaniem jest również zapewnienie łatwej i taniej ścieżki migracji z LTE do 5G dla wielu grup urządzeń korzystających uprzednio ze standardów LTE Cat-1 do LTE Cat-4. Istnieje jednak pewna grupa urządzeń, dla których wymagania energetyczne standardu RedCap są zbyt wysokie. Z myślą o tego typu produktach opracowywany jest nowy standard komunikacyjny w ramach technologii 5G – Ambient IoT (A-IoT).
Standard Ambient IoT
Organizacja 3GPP (3rd Generation Partnership Project), czyli międzynarodowa organizacja odpowiedzialna za rozwój systemów i technologii telefonii komórkowej, zaproponowała wprowadzenie do użytku standardu Ambient IoT, mającego stanowić rozszerzenie technologii IoT zaprojektowane z myślą o urządzeniach wyposażonych w autonomiczny system zasilania, zdolnych do pobierania energii z otoczenia (tzw. koncepcja energy harvesting). Tego typu urządzenia stanowią, pod względem złożoności oraz kosztów, najniższy segment układów IoT.
Brak konieczności wymiany lub ładowania źródła zasilania znacząco upraszcza serwisowanie oraz obsługę tego typu produktów. Z tego powodu świetnie nadają się one do pracy w trudno dostępnych środowiskach, gdzie jakikolwiek dostęp z zewnątrz jest niezwykle utrudniony oraz bardzo kosztowny. Grupa 3GPP wstępnie wytypowała cztery główne obszary zastosowań, dla których standard Ambient IoT może okazać się bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem – magazynowanie, systemy pomiarowe, systemy sterowania oraz śledzenie lokalizacji. Bardziej szczegółowo potencjalne przypadki użycia przedstawione zostały w tabeli 1.
W warstwie radiowej Ambient IoT opiera się na technikach znanych z innych energooszczędnych protokołów komunikacyjnych, jak np. RFID. Standard przewiduje m.in. wykorzystanie zjawiska rozpraszania wstecznego (backscattering), czyli odbicia odpowiednio zmodulowanej części energii fali radiowej padającej na antenę odbiornika, a także możliwość aktywnego generowania sygnału radiowego przez urządzenie. Ta druga technika umożliwia osiągnięcie znacznie większego zasięgu komunikacji, wymaga jednak wyższego zapotrzebowania energetycznego.
W standardzie A-IoT wyróżnia się trzy kategorie urządzeń: pasywne, półaktywne oraz aktywne. Urządzenia pasywne nie mają żadnego magazynu energii elektrycznej (jak np. kondensator), przez co nie są w stanie samodzielnie wygenerować sygnału radiowego. Mogą komunikować się jedynie w oparciu o technikę wstecznego rozpraszania sygnału. Urządzenia półaktywne mają magazyn energii, dzięki czemu mogą skuteczniej wzmacniać oraz modulować odbierany sygnał, wciąż jednak nie są zdolne do jego aktywnego generowania. Zdolność ta zarezerwowana jest jedynie dla urządzeń aktywnych. W tabeli 2 przedstawiono charakterystykę poszczególnych grup urządzeń, zaś na rysunku 2 zaprezentowano przykładowe architektury sieci A-IoT.
Podsumowanie
Technologia 5G podlega ciągłej ewolucji – z myślą o poszerzeniu grupy jej odbiorców oraz użytkowników trwają prace nad wprowadzaniem nowych standardów oraz profili urządzeń, adresowanych do coraz szerszej rzeszy układów. Przykładami takich rozwiązań są m.in. rozszerzenia RedCap oraz Ambient IoT. W najbliższych latach należy spodziewać się dynamicznego rozwoju tej technologii oraz dalszej migracji kolejnych grup produktów z LTE do 5G.
Damian Tomaszewski
