Stan rozwoju nowego mobilnego internetu 5G. Świat daje nura w piątą generację
Błędem jest myślenie, że 5G to tylko szybszy transfer danych. Aby zrozumieć wpływ, jaki ta technika ma na wszystkie obszary technologii, a co za tym idzie, na nasze życie, należy pamiętać, że większa prędkość oznacza więcej danych oraz dostęp do bogatszych i bardziej zróżnicowanych źródeł danych za pośrednictwem urządzeń mobilnych, Internetu Rzeczy i elektroniki noszonej. Tak jak wcześniejsze generacje mobilnego transferu danych (3G i 4G) sprawiły, że strumieniowe przesyłanie muzyki i wideo stało się praktyczną możliwością, tak 5G, potencjalnie oferująca prędkość nawet sto razy większą niż poprzednie standardy, umożliwi tworzenie i rozwój zupełnie nowych rodzajów usług.
Sieci 5G pozwalają działać znacznie większej liczbie urządzeń w obrębie jednego obszaru geograficznego. W zatłoczonych obszarach miejskich często zdarza się, że sygnał danych komórkowych zanika tylko dlatego, że w pobliżu znajduje się zbyt wiele osób próbujących połączyć się z tą samą siecią. W świecie wearables, gdzie często możemy mieć kilka urządzeń przy sobie (na sobie), a wszystkie walczą o przepustowość, 5G powinno rozwiązać te problemy.
Operatorzy sieci komórkowych nie mogą sobie pozwolić na opóźnienia we wprowadzaniu sieci 5G, tym bardziej że pandemia obciążyła istniejące sieci 3G/4G strumieniami multimedialnymi, grami i telekonferencjami, ale także oprogramowaniem online służącym do pracy w domu, w sposób wcześniej niewidziany.
W marcu 2020 r. operator Vodafone informował o 50-procentowym wzroście transferu danych w swoich sieciach w krajach europejskich, a amerykański Verizon odnotował 75-procentowy skok ruchu w samych tylko grach i 30-procentowy wzrost wykorzystania wirtualnych sieci prywatnych (VPN). Choć sieci 4G mogą być w stanie poradzić sobie z tym dodatkowym obciążeniem w krótkim okresie, oczekuje się, że większa liczba podłączonych do Internetu smartfonów, tabletów, smartwatchy i innych urządzeń mobilnych oraz urządzeń Internetu Rzeczy w końcu przekroczy przepustowość 4G, zwłaszcza jeśli użytkownicy końcowi zaczną wymagać wysokiej rozdzielczości wideo 4K, aplikacji rozszerzonej rzeczywistości (AR) i wirtualnej rzeczywistości (VR) oraz szybkich gier. Po zakończeniu pandemii wymagania może nieco spadną, ale eksperci są zgodni, że obciążenie sieci pozostanie na wyższym poziomie niż przed pandemią i będzie rosnąć.
Miliard za trzy lata
Firma Gartner prognozuje, że w 2021 roku sprzedaż smartfonów 5G wyniesie 539 milionów sztuk na całym świecie, co będzie stanowić około 35 procent całkowitej sprzedaży smartfonów w tym roku. Wynika to głównie z faktu, że 5G stało się standardową funkcją dla telefonów premium w krajach takich jak USA, Chiny, Japonia i Korea Południowa. Według komunikatu chińskiego MIIT (Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych do końca września ub. roku chińscy operatorzy telekomunikacyjni zbudowali 690 tysięcy jednostek stacji bazowych 5G, w pełni pokrywając miasta na poziomie prefektury. W trzecim kwartale ponad 50 proc. smartfonów sprzedanych w Chinach było wyposażonych w technologię 5G (2). Do końca roku szacowano udział aparatów 5G na 70 proc.
Według raportu stowarzyszenia dostawców sprzętu mobilnego (GSA), opublikowanego w sierpniu 2020 r., 38 krajów posiadało w tamtym okresie (od którego minął prawie rok) sieci 5G, a w wielu innych technologia mobilna 5G została już częściowo wdrożona (3). Szacunki te przewidywały, że do końca 2023 r. liczba użytkowników 5G wyniesie miliard. To szybsze tempo w porównaniu z czterema latami dla 4G i dwunastoma dla 3G. We wdrażaniu piątej generacji przoduje Ameryka Północna, Europa i Azja Wschodnia.
Za kraj najbardziej pod tym względem zaawansowany uchodzi Korea Południowa. Jako pierwsza wdrożyła komercyjną sieć 5G. Do 2025 roku prawie 60 procent subskrypcji mobilnych w Korei Południowej ma być w sieci 5G. Postęp został znacznie przyspieszony dzięki inwestycjom rządowym, które mają na celu zbudowanie w pełni rozwiniętego środowiska 5G do 2022 roku. W testach przeprowadzonych w sierpniu 2020 roku obliczono, że średnia prędkość pobierania 5G przekroczyła 650 Mb/s w Seulu i w sześciu innych głównych miastach okręgu, czyli około cztery razy szybciej niż 4G rok wcześniej.
W Chinach China Mobile, China Telecom i China Unicom uruchomiły usługi 5G w 2019 roku, a raporty chińskiego rządu sugerowały, że kraj rozszerzał zasięg przez budowę ponad 10 tys. stacji bazowych 5G tygodniowo w 2020 roku, z ponad 600 tys. planowanych do końca roku. Infrastruktura ta objęła prawie wszystkie z trzystu głównych miast Chin, oferując prędkość pobierania do 1 Gb/s przy użyciu niskiej i średniej części pasma widma częstotliwości. Według tych doniesień, liczba użytkowników 5G w Chinach przekroczyła sto milionów w 2020 roku, co oznaczałoby, że chińscy użytkownicy sieci 5G stanowili 80 proc., wszystkich na świecie.
O inauguracji 5G w Stanach Zjednoczonych pisaliśmy w MT już pod koniec 2017 r. Jednak formalne pierwszeństwo nie oznacza, że tam te usługi rozwijają się najszybciej. Trzej główni amerykańscy operatorzy sieci komórkowych, AT&T, Verizon i T-Mobile, uruchomili sieci 5G i zwiększają ich zasięg. Znaczące jest, że wszyscy tamtejsi operatorzy rozwijają już sieci w najwyższym paśmie, milimetrowym, które daje przepustowości rzędu gigabitów na sekundę.
Opublikowany w zeszłym roku raport PwC podaje, że pandemia covid-19 może opóźnić wdrożenie 5G w Europie o rok, półtora. Niektóre rządy europejskie, w tym Polska, odłożyły aukcje częstotliwości dla 5G. W Szwajcarii protesty doprowadziły lokalnych operatorów sieci komórkowych do wstrzymania procesu budowy anten i masztów do czasu uzyskania większej ilości danych na temat wszelkich zagrożeń dla zdrowia. Jednak w większości krajów europejskich komercyjne usługi piątej generacji zostały udostępnione. Według stanu z końca 2020 r. jedynie Cypr, Litwa, Malta i Portugalia nie uruchomiły usług 5G.
W innych regionach świata rozwój sieci 5G wygląda znacznie gorzej. Usługi tego rodzaju udostępnione zostały na dobre jedynie w bogatych krajach naftowych bliskiego Wschodu.
Era postsmartfonowa
Wspomniana GSA w lutym 2021 roku opublikowała informacje na temat sprzętu, który pozwala korzystać z sieci 5G. Według niej na świecie powstało 588 urządzeń tego typu, z czego 365 jest już dostępnych komercyjnie, a 251 z nich to smartfony (4).
4. Smartfony 5G w 2021 rokuW porównaniu z sytuacją sprzed roku, gdy obsługa 5G była cechą głównie najdroższych telefonów klasy premium, obecnie funkcje te zeszły o klasę niżej i są dostępne powszechnie w tzw. flagowcach, czyli najlepiej sprzedających się i najmocniej promowanych modelach marek. Mają to wszystkie iPhone’y z numerem 12. Samsung oferuje obsługę 5G w modelach Galaxy, wcześniej w S20, teraz w Galaxy S21. Funkcję tę mają oczywiście liczne urządzenia chińskich producentów, Huawei, Oppo, Vivo, OnePlus, Xiaomi i wielu innych. Należy jednak zwrócić uwagę, że jedynie niektóre smartfony obsługują wyższe pasmo fal milimetrowych. W większości urządzeń 5G dostępne jest tylko w pasmach niskim i średnim.
Dostawcami rozwiązań modemowych 5G są Huawei, MediaTek, Qualcomm i Samsung. Z tej grupy Huawei i Samsung dostarczają modemy oczywiście także do swoich własnych urządzeń. Oznacza to, że Qualcomm i MediaTek są głównymi dostawcami modemów dla innych marek. Dotyczy to nawet Intela, który wcześniej oferował własny model piątej generacji i nawet dostarczał go firmie Apple, jednak ta zrezygnowała w końcu z tego produktu na rzecz rozwiązań Qualcomma. Jednocześnie są pogłoski, że Apple wkłada dużo starań w stworzenie własnego modemu 5G.
Ma to sens, gdyż dość powszechna jest opinia, że sam telefon może w nowej erze tracić na znaczeniu na rzecz techniki napędzającej urządzenia (czyli m.in. modemów) i usług. "Epoka 5G będzie epoką postsmartfonową", zauważył Robert J. Topol, dyrektor generalny ds. biznesu i technologii 5G w firmie Intel, w wywiadzie udzielonym podczas Mobile World Congress już w 2019 r. "Telefony są pierwszym miejscem do uruchomienia nowej techniki, ponieważ są zakotwiczone w naszym życiu jako narzędzie łączności". Na horyzoncie jednak widać szerszą wizję "połączonych komputerów, połączonych obiektów Internetu Rzeczy, połączonego sprzętu AR/VR, konsoli do gier i podobne rzeczy", komentował Ryan Sullivan, wiceprezes ds. inżynierii produktu w firmie Sprint, również w 2019 roku, zanim został wiceprezesem ds. urządzeń i technologii w nowym T-Mobile.
Już w 2019 roku Qualcomm udostępnił swój nowy procesor XR2 obsługujący mieszaną rzeczywistość (MR), oparty na łączności 5G. Chipset ten zasila Oculus Quest 2 (5). Qualcomm oferuje również obsługę 5G w permanentnie podłączonych do sieci laptopach - to platforma Snapdragon 8cx Gen 2, która przeznaczona jest do urządzeń obsługujących 5G, przenośnych komputerów, między innymi Acera i HP.
Piąta generacja w trzech pasmach
Rok 2021 będzie prawdopodobnie rokiem, w którym wielu operatorów w końcu przestawi swoją infrastrukturę 5G na sieci SA (standalone) w miejsce wcześniej stawianej NSA (nonstandalone). Różnica jest taka, że sieci NSA 5G nadal w większości zależą od infrastruktury 4G, co oznacza, że opóźnienia i prędkości nie są zgodne z oczekiwaniami stawianymi 5G. Dodatkowo, funkcje takie jak dzielenie sieci nie są możliwe bez sieci SA 5G. Niektórzy operatorzy już przeszli na SA 5G - przede wszystkim T-Mobile, który jako pierwszy na świecie przeszedł na samodzielną sieć 5G w USA. Ostatecznie, SA stanie się normą, podobnie jak korzystanie z wielu pasm widma.
Definicja sieci piątej generacji nie jest tak prosta jak się niektórym wydaje. Rozumie się pod tym pojęciem szeroki zestaw różnych technologii i standardów zawartych w rekomendacji ITU-R M.2083, określonej przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) i projekt partnerski trzeciej generacji (3GPP). 3GPP określiło trzy podstawowe parametry, bez których nie może się obyć żadna sieć 5G. Są to: eMBB (enhanced mobile broadband), ultraniezawodna komunikacja o małych opóźnieniach (URLLC) oraz masowa komunikacja typu maszynowego (mMTC). Szczegóły np. dotyczące przepustowości, opóźnień i dostępności zależą od tego, z której części spektrum częstotliwości korzystają sieci 5G, czyli czy jest to zakres niskopasmowy, średniopasmowy czy wysokopasmowy.
Niskopasmowe sieci 5G wykorzystują częstotliwości 600/800/900 MHz, które umożliwiają większy zasięg geograficzny, ponieważ są mniej podatne na zakłócenia powodowane przez obiekty statyczne, takie jak ściany i sufity lub warunki atmosferyczne. Pojedyncza wieża może pokryć setki kilometrów kwadratowych. Zgodnie z ostatnimi testami, sieci niskopasmowe mogą oferować prędkość połączenia od 30 Mb/s do 250 Mb/s, w zależności od dystansu użytkownika od stacji bazowej.
Większość operatorów planuje wykorzystać widmo niskopasmowe jako sposób na podłączenie dużej liczby abonentów 5G w mniej gęsto zaludnionych obszarach. Większe prędkości będą dostarczane przez inne częstotliwości w miastach i aglomeracjach.
Średnie pasmo lub 5G New Radio (NR) Sub-6
Może zapewnić średnią prędkość pobierania od 200 Mb/s do 900 Mb/s przy użyciu częstotliwości poniżej 6 GHz, najczęściej 2,5 GHz, 3,5 GHz i 3,7…4,2 GHz.
Wysokopasmowe, wykorzystujące fale milimetrowe (mmWave), sieci 5G wymagają dużej liczby małych węzłów o niewielkim zasięgu (6), aby zapewnić gęste pokrycie, które może obsługiwać wielkie liczby połączonych urządzeń jednocześnie, na krótszych dystansach. To dobre rozwiązanie dla miast, węzłów transportowych i innych zatłoczonych miejsc. Częstotliwości wysokopasmowe działają w zakresie fal 24…40 GHz i oczekuje się, że ostatecznie zapewnią średnie prędkości pobierania 1…3 Gb/s, choć producenci tacy jak Samsung zademonstrowali połączenia wysokopasmowe 5G o prędkości do 7,5 Gb/s.
6. Instalowany w oknie router 5G pracujący w zakresie fal milimetrowych firmy PhazrZarówno średnio-, jak i wysokopasmowa infrastruktura 5G jest określana przez 3GPP jako 5G New Radio (NR), co oznacza, że może działać jako infrastruktura typu non-standalone (NSA), która dodatkowo wykorzystuje istniejące sieci 4G do przenoszenia sygnałów poprzez dynamiczne współdzielenie widma (DSS) w celu zwiększenia zasięgu na wczesnych etapach ewolucji 5G.
Pasmo średnie jest złotym środkiem dla 5G - może przenosić znacznie dalej niż fale milimetrowe i ma znacznie większą pojemność i większe prędkości niż widmo niskopasmowe. Obecnie na całym świecie większość operatorów posiada albo pasmo niskopasmowe i nie posiada pasma średniego, albo posiada pasmo średnie i nie posiada pasma niskiego ze względu na ograniczoną dostępność widma.
T-Mobile jest pierwszym operatorem na świecie, który w USA uruchomił ogólnokrajową autonomiczną sieć 5G (SA). Kompletna sieć 5G musi być autonomiczna, wykorzystując widmo nisko-, średnio- i wysoko-pasmowe jako jedno. W tej chwili istnieje wiele zamieszania, jeśli mowa o pasmach, widmie i technicznych aspektach sieci. Większość konsumentów jednak w efekcie będzie całkowicie nieświadoma tego, jakiego typu 5G używają, 5G w praktyce działać będzie przy użyciu wszystkich trzech pasm.
5G musi być, abyśmy dowiedzieli się po co nam… 6G
5G wdraża się, jak widać, na całym świecie. Tymczasem naukowcy obmyślają kolejną generację - 6G. W pracy Shupinga Danga z Naukowo-Technicznego Uniwersytetu Króla Abdullaha (KAUST), opublikowanej w "Nature Electronics", znajdujemy analizę potencjalnych zastosowań i wyzwań związanych z komunikacją szóstej generacji. Zdaniem uczonych, potencjalna sieć 6G musi być bardziej bezpieczna, chronić prywatność, być powszechnie dostępna i niedroga oraz zapewniać użytkownikom dobre samopoczucie psychiczne i fizyczne. 6G ma zrewolucjonizować sposób, w jaki się komunikujemy, ale to samo mówi się o 5G, więc na czym miałaby naprawdę polegać różnica?
"Kluczową rolę w rewolucji komunikacyjnej 6G odegra sztuczna inteligencja", wyjaśnia Dang. Algorytmy uczenia maszynowego mogą być wykorzystywane na przykład do efektywnego przydzielania zasobów stacji bazowej i osiągania wydajności zbliżonej do optymalnej. Inteligentne materiały umieszczone na powierzchniach w otoczeniu, np. na budynkach lub latarniach ulicznych, mogłyby być wykorzystywane do wykrywania środowiska bezprzewodowego i wprowadzania dostosowanych zmian w falach radiowych.
Z kolei techniki głębokiego uczenia się można wykorzystać do poprawy dokładności pozycjonowania w pomieszczeniach. Wszystko to będzie wymagało systemów, które oferują bardzo dużą szerokość pasma dla transmisji sygnału i są odporne na niekorzystne warunki pogodowe. Potrzebne są również urządzenia, które zużywają mniej energii i mają dłuższą żywotność baterii. Będzie to wymagało dalszych badań nad technologiami, które mogą zbierać energię z sygnałów o częstotliwości radiowej, mikrodrgań i światła słonecznego. Wreszcie, naukowcy będą musieli zbadać wpływ tych rozwijających się technologii na zdrowie psychiczne i fizyczne.
Z opisów tych wynikać zdaje się wizja szóstej generacji jako rozwiązania, które naprawi wszystkie znane już i te jeszcze nieznane problemy, które wynikły z pojawienia się sieci 3G, 4G i 5G. Jednak, abyśmy poznali wszystkie konsekwencje, zarówno te dobre, jak te niekorzystne, wdrożenia piątej generacji, trzeba poczekać co najmniej kilka lat. Wtedy zapewne dowiemy się też, czego 5G nam nie daje. A to jest niezbędne, abyśmy dali namówić się na kolejne "G".
Mirosław Usidus
