Sieć 5G dla inteligentnego świata
Eksperci spodziewają się, że 5G nie będzie ewolucją, a całkowitym przeobrażeniem technologii mobilnej. Ma to spowodować transformację całej branży związanej z tym rodzajem komunikacji. W lutym 2017 r., podczas prezentacji na Mobile World Congress w Barcelonie, przedstawiciel Deutsche Telekom zapowiedział nawet, że w konsekwencji smartfony przestaną istnieć. Gdy sieć 5G upowszechni się, będziemy w sieci zawsze, praktycznie ze wszystkim, co nas otacza. A w zależności od tego, jaki segment rynku będzie korzystał z tej technologii (telemedycyna, połączenia głosowe, platformy gier, przeglądanie stron internetowych), sieć będzie zachowywać się inaczej.
Podczas tego samego MWC pokazano pierwsze, komercyjne zastosowania sieci 5G - choć takie sformułowanie budzi pewne wątpliwości, bo wciąż nie wiadomo, czym właściwie ona będzie. Założenia wcale nie są spójne. Niektóre źródła twierdzą, że 5G ma osiągać prędkości transferu rzędu dziesiątek tysięcy megabitów na sekundę do tysięcy użytkowników równocześnie. Wstępna specyfikacja dla 5G, ogłoszona kilka miesięcy temu przez International Telecommunication Union (ITU), zakłada, że opóźnienia nie będą mogły być większe niż 4 ms. Pobieranie danych ma odbywać się z prędkością 20 Gb/s, a wysyłanie z prędkością 10 Gb/s. Wiemy, że ITU chce ogłosić finalną wersję draftu dla nowej sieci jesienią tego roku. Co do jednego wszyscy raczej się zgadzają - sieć 5G ma zapewnić równoczesne bezprzewodowe połączenia setek tysięcy sensorów, co dla usług Internetu Rzeczy i wszędobylskich usług ma kluczowe znaczenie.
Czołowe firmy - takie jak AT&T, NTT DOCOMO, SK Telecom, Vodafone, LG Electronic, Sprint, Huawei, ZTE, Qualcomm, Intel i wiele innych - jasno deklarują poparcie dla przyspieszenia realizacji harmonogramu standaryzacji 5G. Wszyscy zainteresowani chcą bowiem rozpocząć komercyjne wdrożenia tej koncepcji już w 2019 r. Z drugiej strony, Unia Europejska ogłosiła plan 5G PPP (Public-Private Partnership), aby określić kierunki rozwoju kolejnej generacji sieci. Do roku 2020 kraje unijne mają uwolnić - zarezerwowaną dla tego standardu - częstotliwość 700 MHz.
Pojedyncze rzeczy nie potrzebują aż 5G
Według firmy Ericsson, w końcu ubiegłego roku w Internecie Rzeczy (Internet of Things, IoT) działało 5,6 miliarda urządzeń. Z tego tylko ok. 400 mln współpracowało z sieciami mobilnymi, a pozostałe z sieciami bliskiego zasięgu, takimi jak Wi-Fi, Bluetooth czy ZigBee.
Prawdziwy rozwój Internetu Rzeczy bardzo często wiązany jest właśnie z sieciami 5G. Pierwsze zastosowanie nowych technologii, na początek w sektorze biznesowym, może pojawić się za dwa, trzy lata. Dostępu do sieci nowej generacji dla klientów indywidualnych możemy spodziewać się jednak nie wcześniej niż w 2025 r. Zaletą technologii 5G ma być m.in. możliwość obsługi miliona urządzeń, zgromadzonych na obszarze o powierzchni kilometra kwadratowego. Liczba z pozoru olbrzymia, ale jeśli weźmiemy pod uwagę, że wizje IoT mówią o inteligentnych miastach, w których poza infrastrukturą miejską do sieci podłączone są także pojazdy (w tym samochody autonomiczne) oraz urządzenia domowe (inteligentne domy) i biurowe, a także np. sklepy i zgromadzone w nich towary, ów milion na kilometrze kwadratowym przestaje wydawać się aż tak duży. Zwłaszcza w centrach miast lub obszarach z dużym nagromadzeniem biur.
Pamiętajmy jednak o tym, że wiele urządzeń podłączonych do sieci oraz umieszczonych w nich czujników nie wymaga bardzo wysokich prędkości, bo przekazuje niewielkie porcje danych. Superszybkiego Internetu nie potrzebuje ani bankomat, ani terminal płatniczy. Nie musi mieć go umieszczony w systemie ochrony czujnik dymu oraz temperatury, informujący np. producenta lodów o warunkach w stojących w sklepach lodówkach. Duże prędkości i niskie opóźnienia nie są potrzebne do monitorowania latarni ulicznych i sterowania nimi, do przesyłania danych z liczników energii i wody, do sterowania smartfonem na odległość pracą domowych urządzeń podłączonych do IoT czy też w logistyce.
Dziś, choć dysponujemy technologią LTE, która pozwala przesłać w sieciach komórkowych kilkadziesiąt, a nawet kilkaset megabitów danych na sekundę, znaczna część urządzeń działających w mobilnym Internecie rzeczy nadal wykorzystuje sieci 2G, czyli dostępny komercyjnie jeszcze od 1991 r. standard GSM.
By pokonać zaporę kosztów, która zniechęca wiele firm do stosowania IoT w bieżącej działalności, a tym samym hamuje jego rozwój, opracowano technologie pozwalające budować sieci z założenia dostosowane do obsługi urządzeń przesyłających niewielkie pakiety danych. Te sieci wykorzystują zarówno częstotliwości używane przez operatorów komórkowych, jak i pasmo nielicencjonowane. W paśmie, którego używają sieci LTE, działają takie technologie jak LTE-M i NB-IoT (nazywane też NB-LTE), a z pasma wykorzystywanego przez sieci 2G korzysta technologia EC-GSM-IoT (zwana też EC-EGPRS). W nielicencjonowanym paśmie do wyboru są takie rozwiązania, jak LoRa, Sigfox i RPMA.
Wszystkie wymienione wyżej opcje oferują duży zasięg i są zaprojektowane tak, by urządzenia końcowe były jak najtańsze i wykorzystywały jak najmniej energii, a tym samym działały bez konieczności wymiany baterii nawet przez kilkanaście lat. Stąd ich zbiorcza nazwa - Low Power Wide Area (niski pobór mocy, duży zasięg). Sieci LPWA działające w pasmach, którymi dysponują operatorzy komórkowi, potrzebują tylko aktualizacji oprogramowania. Rozwój komercyjnych sieci LPWA firmy badawcze Gartner i Ovum uważają za jedno najważniejszych wydarzeń dla rozwoju IoT.
Operatorzy sięgają po różne technologie. Holenderski KPN, który ogólnokrajową sieć uruchomił w ubiegłym roku, wybrał LoRa i interesuje się LTE-M. Grupa Vodafone postawiła na NB-IoT - budowę sieci zaczęła w tym roku od Hiszpanii, a w planach ma taką sieć w Niemczech, Irlandii i Hiszpanii. Deutsche Telekom wybrał NB-IoT i zapowiada, że jego sieć ruszy w ośmiu krajach, w tym w Polsce. Hiszpańska Telefonica zdecydowała się na Sigfox i NB-IoT. Orange we Francji zaczęło budowę sieci LoRa, a potem ogłosiło, że od Hiszpanii i Belgii zacznie uruchamianie sieci LTE-M - w krajach, w których działa, a więc zapewne także w Polsce.
Budowa sieci LPWA może oznaczać, że rozwój specjalnego ekosystemu IoT ruszy szybciej niż pojawią się sieci 5G. Rozbudowa jednego nie wyklucza drugiego, bo do inteligentnej sieci przyszłości potrzeba obu technologii.
Bezprzewodowe łącza sieci 5G prawdopodobnie tak czy inaczej potrzebować będą mnóstwa energii. Oprócz wymienionych pasm sposobem na oszczędzanie energii na poziomie pojedynczych urządzeń ma być uruchomiona w ubiegłym roku platforma Web Bluetooth. To ją wykorzystywać ma sieć inteligentnych żarówek, zamków, czujników itp. Technologia pozwala łączyć się z urządzeniami IoT bezpośrednio z przeglądarki internetowej lub ze strony, bez stosowania specjalnych aplikacji.
5G wcześniej
Warto wiedzieć, że niektóre firmy zajmują się technologią 5G od lat. Przykładowo, Samsung pracuje nad swoimi rozwiązaniami związanymi z siecią 5G już od 2011 r. W tym czasie udało mu się osiągnąć transfer o przepustowości 1,2 Gb/s w pojeździe poruszającym się z prędkością 110 km/godz. oraz 7,5 Gb/s w przypadku odbiornika stojącego w miejscu.
Co więcej, eksperymentalne sieci 5G już istnieją i powstawały we współpracy różnych firm. W tej chwili jest jednak zdecydowanie za wcześnie, by mówić o rychłej i prawdziwie globalnej standaryzacji nowej sieci. Ericsson testuje ją w Szwecji i Japonii, ale do pojawienia się małych, konsumenckich urządzeń, które będą współpracowały z nowym standardem jeszcze daleka droga. W 2018 r. we współpracy ze szwedzkim operatorem TeliaSonera firma uruchomi w Sztokholmie i Tallinie pierwsze komercyjne sieci 5G. Początkowo będą to sieci miejskie, a na „pełnowymiarowe” 5G poczekać będzie trzeba do 2020 r. Ericsson ma już nawet pierwszy telefon 5G. Być może „telefon” to jednak niewłaściwe określenie. Urządzenie waży 150 kg i trzeba z nim jeździć w wielkim autobusie, uzbrojonym w aparaturę pomiarową.
W październiku ubiegłego roku wiadomość o debiucie sieci 5G dobiegła z dalekiej Australii. Do doniesień tego rodzaju należy jednak podchodzić z dystansem - skąd bowiem wiadomo, bez standardu i specyfikacji sieci 5G, że to, co uruchomiono, jest właśnie usługą piątej generacji? Ma to się zmienić po uzgodnieniu standardu. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, wstępnie zestandaryzowane sieci 5G pojawią po raz pierwszy podczas Zimowych Igrzysk Olimpijskich w Korei Południowej w 2018 r.
Fale milimetrowe i małe komórki
Działanie sieci 5G opiera się na kilku ważnych technologiach.
Pierwsza z nich to połączenia w zakresie fal milimetrowych. Coraz więcej urządzeń łączy się ze sobą lub z Internetem przy wykorzystaniu tych samych częstotliwości radiowych. To powoduje utratę szybkości i problemy ze stabilnością połączenia. Rozwiązaniem może być przejście na fale milimetrowe, czyli te z zakresu częstotliwości 30-300 GHz. Obecnie są one wykorzystywane m.in. w łączności satelitarnej i w radioastronomii, ale ich podstawowym ograniczeniem był niewielki zasięg. Nowy rodzaj anten umożliwia poradzenie sobie z tym problemem, a prace nad rozwojem tej technologii wciąż trwają.
Drugim filarem piątej generacji ma być technika nazywana Small Cells. Naukowcy chwalą się, że są już w stanie przesyłać dane przy użyciu fal milimetrowych na odległość ponad 200 m. I właśnie co 200-250 m w dużych miastach znajdować mogłyby się Small Cells, czyli niewielkie stacje bazowe o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię. W terenach rzadziej zaludnionych „małe komórki” słabo się jednak sprawdzają.
W problemie powyższym pomóc ma technologia MIMO nowej generacji. MIMO to rozwiązanie stosowane też w standardzie 4G, które jest w stanie zwiększyć przepustowość sieci bezprzewodowej. Sekret tkwi w transmisji wieloantenowej po stronie nadawczej i odbiorczej. Stacje nowej generacji mogą obsługiwać osiem razy więcej portów, niż ma to miejsce obecnie, do jednoczesnego wysyłania i odbierania danych. Pojemność sieci wzrasta w ten sposób o 22%.
Kolejną ważną dla 5G techniką jest beamforming, czyli „kształtowanie wiązki”. Jest to technika przetwarzania sygnału w taki sposób, by dane były dostarczane do użytkownika optymalną trasą. Beamforming pomaga falom milimetrowym docierać do urządzenia w formie skoncentrowanej wiązki, a nie metodą transmisji wielokierunkowej. Siła sygnału zatem się zwiększa, a zakłócenia zmniejszają.
Piątym elementem piątej generacji ma być tzw. pełny dupleks. Dupleksem nazywa się transmisję dwukierunkową, czyli taką, w której nadawanie i odbieranie informacji jest możliwe w obu kierunkach. Pełny dupleks oznacza, że dane są przesyłane bez spadku transferu. Rozwiązanie to jest stale rozwijane, by osiągnąć jak najlepsze parametry.
Szósta generacja?
W laboratoriach pracuje się już jednak także nad czymś jeszcze szybszym niż 5G - choć powtórzmy, że nie wiemy precyzyjnie, czym jest owa piąta generacja. Japońscy naukowcy tworzą przyszłość bezprzewodowego przesyłania danych niejako kolejnej, szóstej wersji. Ma ona korzystać z częstotliwości 300 Ghz i wyższych, a osiągane prędkości wyniosą 105 Gb/s na każdym kanale. Badania i rozwój nowej technologii trwają już od kilku lat. W listopadzie ubiegłego roku dzięki wykorzystaniu terahercowego pasma 500 GHz uzyskano prędkość 34 Gb/s, a następnie 160 Gb/s przy pomocy nadajnika w paśmie 300-500 Ghz (osiem kanałów modulowanych w odstępach 25 GHz) - czyli rezultaty wielokrotnie przewyższające zakładane możliwości sieci 5G. Najnowszy sukces jest dziełem zespołu naukowców z Uniwersytetu w Hiroszimie, a jednocześnie pracowników marki Panasonic. Informacje o technologii udostępniono na stronie uczelni, założenia i mechanizm działania terahercowej sieci zaprezentowano zaś w lutym 2017 r., na konferencji ISSCC w San Francisco.
Jak wiadomo, zwiększanie częstotliwości pracy nie tylko umożliwia szybszy transfer danych, ale znacząco skraca także możliwy do uzyskania zasięg sygnału, a ponadto zwiększa jego podatność na wszelkiego rodzaju zakłócenia. Oznacza to więc konieczność budowy całkiem skomplikowanej i gęsto rozlokowanej infrastruktury.
Warto też zwrócić uwagę, że rewolucje - takie jak planowane do 2020 r. wejście sieci 5G, a potem hipotetycznej, jeszcze szybszej, sieci terahercowej - oznaczają konieczność wymiany milionów urządzeń na wersje dostosowane do nowych standardów. To prawdopodobnie znacznie… zmniejszy tempo zmian i spowoduje, że zamierzona rewolucja może w rzeczywistości stać się ewolucją.
Ciąg dalszy Tematu Numeru w najnowszym wydaniu miesięcznika "Młody Technik".
Mirosław Usidus
