lacznosc-cyfrowa-energetyka-5g

Ewolucja systemu komórkowego i jego nowe możliwości

Ciągły rozwój technologii mobilnych oraz charakterystyka współczesnego „cyfrowego konsumenta” wymuszają nieustanny postęp w telekomunikacji. Najnowszy standard sieci 5G wychodzi naprzeciw rosnącej liczbie urządzeń korzystających z dostępu do bezprzewodowego Internetu (IoT), jak również wymaganiom sieciowym narzuconym przez aplikacje.

Kolejny skok technologiczny w ciągu dekady ma na celu zwiększenie pojemności sieci oraz prędkości w niej uzyskiwanych, jak również znaczne zmniejszenie opóźnień w transmisji. Zanim jednak przedstawimy szerzej założenia oraz rozwiązania zastosowane w systemie piątej generacji, przybliżymy pokrótce ewolucję całego systemu.

1G: komórki

Początek lat 80. można uznać za zalążek sieci komórkowej, której podstawowe założenie podziału na komórki możemy obserwować do dziś. To właśnie wtedy powstawały pierwsze sieci radiowe funkcjonujące w podziale na komórki, czyli obszary kontrolowane przez poszczególne stacje bazowe. Jako pierwsze powstały sieci w USA, oparte na systemie pod nazwą AMPS (ang. Advance Mobile Phone System).

W Polsce pierwszą siecią 1G była NMT450 Centertela (ang. Nordic Mobile Telephone), uruchomiona przez Polską Telefonię Komórkową 1992 roku, w standardzie wywodzącym się z krajów skandynawskich. Sieć 1G umożliwiała wyłącznie rozmowy, a wykorzystana w niej zasada wielodostępu z podziałem częstotliwości FDMA (ang. Frequency Division Multiple Access) skutkowała możliwością wyczerpania zasobów stacji bazowej oraz brakiem możliwości zestawienia kolejnego połączenia. Warto wspomnieć, że dużym sukcesem wówczas analogowej sieci NMT było pokrycie zasięgiem terenu kilku państw europejskich (poszczególne standardy powstałe w tamtych czasach nie były ze sobą kompatybilne).

2G: cyfryzacja

Podstawowymi założeniami standardu drugiej generacji, powszechnie nazywanego systemem GSM (ang. Global System for Mobile Communications), było zwiększenie liczby użytkowników mogących równocześnie korzystać z sieci. Ponadto nowy standard miał bazować na cyfrowej transmisji, gwarantując znacznie lepsze zabezpieczenie przed podsłuchem.

Polską sieć GSM zainaugurowano 1 lutego 1996 roku; Polkomtel (operator sieci Plus) otrzymał koncesje na używanie pasma 900 MHz, a zaraz po nim – Polska Telefonia Cyfrowa (Era). Na początku sieć GSM dostępna była tylko w Warszawie, a po roku działania w jej zasięgu było 40 proc. Polski. Sieć 2G umożliwiała rozmowy oraz wysyłanie wiadomości tekstowych. Wraz z wprowadzeniem standardu GPRS/EDGE zaczęto mówić o sieci 2,5G, która umożliwiała wysyłanie wiadomości e-mail oraz przeglądanie stron internetowych.

3G: usługi multimedialne

Początek obcego wieku to czas, na który przypadło wdrażanie przez operatorów systemów komórkowych trzeciej generacji. Standard w dużej mierze oparty na systemie 2,5G w zakresie pakietowej transmisji danych, w odróżnieniu od systemu GSM, miał od razu zapewnić świadczenie usług multimedialnych, polegających na transmisji obrazu oraz dźwięku. W dużej mierze oznaczało to rozbudowę sieci szkieletowej łączącej stacje bazowe. Zmianie poddano również część radiową, w której zaczęto wykorzystywać nowe zakresy częstotliwości oraz inną metodę dostępu radiowego. Takie zabiegi miały na celu zwiększenie pojemności sieci oraz prędkości transmisji danych.

Standardem zaproponowanym przez ETSI oraz wdrożonym przez większość operatorów na świecie był UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System). 2 września 2004 roku sieć 3G wystartowała w Polsce, a Polkomtel w abonamencie za 99 zł oferował 50 MB danych miesięcznie w szczycie (lub 500 MB poza nim). Każdy MB danych poza pakietem kosztował 30 zł.

4G: era smartfonów

Wraz z postępem usług internetowych oferowanych użytkownikom stawiano coraz większe wymagania w zakresie efektywności transmisji danych. W efekcie  dalszy rozwój sieci telekomunikacyjnej skupiał się na wypracowaniu standardu poprawiającego szybkość i niezawodności transmisji danych. Bazą dla nowego standardu była infrastruktura 3G, a prace zakończone przez konsorcjum 3GPP w 2008 roku zaowocowały opracowaniem pierwszej wersji standardu 4G LTE (ang. Long Term Evolution). Z uwagi na fakt, że nowy standard umożliwiał użytkownikom końcowym szybki radiowy dostęp do Internetu, zindywidualizowaną telefonię oraz możliwość korzystania z mobilnych aplikacji szerokopasmowych dla telefonów komórkowych, laptopów i innych terminali mobilnych, można powiedzieć o zdecydowanym przełomie w dziedzinie telekomunikacji.

Pierwszą sieć na świecie działającą w technologii LTE uruchomiono w 2010 roku, natomiast w październiku 2012 Plus wprowadził LTE o prędkości 150 Mb/s na paśmie 1800 MHz, co dało mu tym samym pozycję światowego lidera.

5G: co nowego?

Tak jak w przypadku każdej nowej generacji sieci komórkowej, tak i sieć 5G musiała stanąć naprzeciw rosnących wymagań użytkowników oczekujących większej przepływności sieci oraz korzystających z coraz większej liczby urządzeń mobilnych podłączonych do Internetu. Nowa sieć stanowi rozwinięcie sieci 4G i charakteryzuje się rozwiązaniami pozwalającymi na osiągnięcie takich wymagań. Jednak wraz z jej wprowadzeniem przewidziane są scenariusze, które będą miały szczególne znaczenie dla użytkowników oraz odróżnią ją od poprzedniej generacji.

Do takich rozwiązań należy zaliczyć przede wszystkim rozszerzony, mobilny, szerokopasmowy dostęp do Internetu eMBB (ang. Enhanced Mobile Broadband) zapewniający przepływność rzędu 1 Gb/s. Ta cecha sieci nowej generacji zwiększy wydajność oraz jakość komunikacji w społeczeństwie, pozwoli na dostarczane multimediów o wysokiej rozdzielczości, a także rozwinie usługi inteligentnego miasta, gdzie wiele urządzeń „rozmawia” ze sobą bez ingerencji użytkownika.

Kolejny nowy obszar, którego rozwinięcie zapewni wprowadzenie nowego standardu, to masowa komunikacja pomiędzy maszynami mMTC (ang. massive Machine Type Communications), związana ze zwiększeniem pojemności sieci. Coraz większa liczba technologii opiera się na urządzeniach o niskim poborze mocy, które wykorzystują sieć komórkową do komunikacji, wymieniając między sobą dane w sposób asynchroniczny. Nowy scenariusz zakłada możliwość podłączania wielu typów urządzeń, których wspólną cechą jest sporadyczne wykorzystanie sieci komórkowej do wymiany danych o małym wolumenie.

Ostatni scenariusz, wyróżniający się na tle poprzednich generacji, polega na osiągnięciu ultraniezawodnej transmisji o niskich opóźnieniach URLLC (ang. Ultra-Reliable Low Latency Communications), zapewniającej minimalne opóźnienia w transmisji na poziomie milisekundy. Takie parametry sieci umożliwią wykorzystanie jej do zastosowań krytycznych (np. sterowanie dronami) czy wprowadzenie autonomicznego transportu. W poprzednich generacjach sieci komórkowych wartości opóźnień były znacznie większe i wynosiły nawet do 30 milisekund w przypadku sieci 4G.

Wcielenie w życie nowych scenariuszy wiąże się z wprowadzeniem szeregu modyfikacji w stosunku do poprzednich generacji sieci komórkowych. Jednak, o ile poprzednio zmiany technologiczne zachodziły głównie w radiowej sieci dostępowej, to w przypadku 5G istotnym modyfikacjom podlega również sieć szkieletowa. Wraz z wprowadzeniem nowego standardu znacząco zmienił się dotychczasowy model wykorzystania sieci telekomunikacyjnej. Od teraz sieć ma być programowalna, dzięki czemu stanie się bardziej elastyczna oraz możliwe będzie wprowadzenie jej segmentacji, polegającej na wyodrębnieniu kilku warstw mających własny zbiór ustawień, odpowiedni dla danej usługi. Takie podejście zmienia dotychczasowy paradygmat budowy i utrzymania sieci, wprowadzając wyraźny podział na płaszczyznę sterowania i płaszczyznę transferu danych. Dodatkowo umożliwia zrezygnowanie ze specjalistycznych urządzeń realizujących zadania sieciowe i przeniesienie ich funkcjonalności na moduły oprogramowania zainstalowanego na standardowych serwerach dostępnych komercyjnie.

Jednym z ważniejszych, nowych rozwiązań technologicznych sieci 5G w segmencie sieci szkieletowej jest technologia MEC (ang. Multi-access Edge Computing), która umożliwia przetwarzanie oraz przechowywanie danych aplikacji użytkownika w stacji bazowej sieci 5G. Wyklucza ona problem zbyt dużych opóźnień związanych

z centralnym przetwarzaniem danych, a także rozległą geograficznie dystrybucją segmentów przetwarzania i użytkowników. Dzięki jej zastosowaniu otwierają się nowe możliwości dla producentów aplikacji oraz operatorów w zakresie innowacyjnych usług.

Główne zasady funkcjonowania radiowej sieci dostępowej nie zmieniły się. Dostęp urządzeń końcowych do sieci komórkowej zapewnia infrastruktura składająca się ze stacji bazowych, masztów oraz anten. Nieco inaczej odbywa się podział obszaru na komórki. Znacznie większą rolę niż w dotychczasowych sieciach komórkowych będą odgrywać komórki o mniejszych rozmiarach.

W zależności od potrzeb i zagęszczenia ludności na danym terenie przewiduje się zastosowanie mikrokomórek (zasięg do 2 km) w centrach miast oraz pikokomórek, dla których zasięg będzie wynosił od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów, w miejscach przewidzianych na różnego rodzaju wydarzenia komercyjne.

Docelowo nowy standard przewiduje wykorzystanie trzech pasm częstotliwości: niskiego, średniego i wysokiego. Każde z nich będzie miało swoje własne przeznaczenie odpowiednie dla jego charakterystyki, przydzielone z uwagi na sposób propagowania sygnału radiowego oraz pojemność zasobów widmowych. Pierwszym pasmem jest pasmo 700 MHz, charakteryzujące się niską tłumiennością. Jego zastosowanie pozwoli na objęcie zasięgiem rozległych obszarów, a możliwość wnikania sygnału pracującego na tej częstotliwości w głąb budynków pozwoli na realizację usługi mMTC. Pasmo 3,4-3,8 GHz jest kompromisem pomiędzy propagacją a pojemnością. Zasób ten docelowo ma posłużyć do realizacji eMBB dla kilkunastu największych miast Polski oraz usług wymagających niezawodnej transmisji i szczególnie niskich opóźnień w zastosowaniach transferujących duże ilości danych. Ostatnim nowym pasmem jest 26 GHz pozwalające na tworzenie hot spotów Internetu szerokopasmowego i pikokomórkowych zastosowań URLLC.

Wśród nowych technologii dotykających segment radiowy należy wymienić: Massive MIMO (ang. Massive Multiple Input, Multiple Output), zakładającą zastosowanie anten składających  się z dużej liczby elementów (np. układy anten 64 x 64); kształtowanie wiązki radiowej (ang. Beam forming), pozwalające na jej kierowanie w stronę urządzenia odbiorczego oraz Multi-Rat (ang. Multi-Radio Access Technology), czyli automatyczne dostosowanie interfejsu radowego (np. Wi-Fi, 4G, 3G) w zależności od wymagań użytkownika i aktualnego stanu obciążenia sieci.

Nowe możliwości otwierają nowe zastosowania

Nowe zastosowania sieci 5G wynikają przede wszystkim z możliwości obsługiwania bardzo dużej liczby urządzeń o niskim poborze mocy oraz z wprowadzenia ultraniezawodnej transmisji o niskich opóźnieniach. Przemysł czwartej generacji, którego główną cechą jest wykorzystanie Internetu oraz sztucznej inteligencji, może w dużym stopniu skorzystać z dostępu do technologii 5G. Jej główne zastosowania w Przemyśle 4.0 skupione są na czterech obszarach: robotyzacji (współpraca drobnych robotów na różnych etapach produkcji), automatyzacji procesów produkcyjnych, rozszerzonej rzeczywistości oraz zarządzaniu logistyką (np. autonomiczne przejazdy przeładunkowe).

Kolejnym obszarem, który w znacznej mierze skorzysta z dobrodziejstwa sieci 5G, są inteligentne miasta. Takie usługi bazują głównie na przetwarzaniu danych przestrzennych w czasie rzeczywistym. Lista planowanych w kontekście smart cities jest długa, ale wśród nich można wymienić kilka najważniejszych, tj.: inteligentne zarządzanie ruchem, polegające na przetwarzaniu danych pochodzących z drogowych urządzeń sterujących i pomiarowych (np. czujniki, kamery, tablice przystankowe), inteligentne światła uliczne sterowane siecią czujników mogących wydłużyć lub skrócić ,,zielone’’  w celu optymalizacji sygnalizacji w czasie rzeczywistym oraz inteligentne zarządzenie energią, oparte na sieci czujników elektronicznych monitorujących przepływ energii w sieci. Takie inteligentne zarządzanie energią pozwoli użytkownikom sieci elektrycznej lepiej zrozumieć jej zużycie, prognozować im potrzeby oraz wydatki. Z kolei dostawcy energii będą mogli w lepszy sposób zarządzać siecią energetyczną w czasie rzeczywistym w celu uniknięcia nadmiernych strat.

Technologia 5G otwiera nowe możliwości w zakresie e-zdrowia oraz ochrony środowiska. Mowa tutaj o zdalnym monitorowaniu pacjentów za pomocą ich smartfonów wyposażonych w specjalne aplikacje. Technologia ta pozwoli również na kontrolowanie czujników drgań i warunków materiałowych w budynkach, mostach czy zabytkach w miejscach szczególnie narażonych na katastrofy. Na wprowadzeniu nowej generacji sieci komórkowej skorzysta także rolnictwo. Technologia piątej generacji zapewni śledzenie ogromnej liczby czynników środowiskowych, co powoli zoptymalizować działania nawet na obszarach, do których dostępu szerokopasmowego nie zapewniono. Wprowadzenie autonomicznego transportu może ułatwić funkcjonowanie niepełnosprawnych, a usługi lokalizacji i nawigacji doprowadzą osobę niewidomą bezpiecznie do każdego celu w terenie zurbanizowanym. Poprawi się również edukacja zdalna czy prowadzenie zdalnych konferencji z niespotykaną dotąd jakością i prędkością transmisji.

Bardzo ważne jest, aby Polska – podobnie jak przy 4G – została w czołówce tych, którym udało się szybko wprowadzić sieć najnowszej generacji.  Spowoduje to wzrost jakości życia mieszkańców poprzez dostęp do nowo kreowanych i spersonizowanych e-usług, a państwo będzie mogło prowadzić stabilną i zrównoważoną gospodarkę, konkurencyjną na tle innych krajów europejskich. W tym celu dużymi krokami zbliża się wejście w życie ustawy Prawo komunikacji elektronicznej, zastępującej dotychczasowe Prawo telekomunikacyjne. Nowa ustawa ma m.in. zawierać cały pakiet przepisów kompleksowo regulujących sektor łączności elektronicznej w Unii Europejskiej, regulować prawa i obowiązki użytkowników oraz kwestie zapewnienia dostępu do sieci telekomunikacyjnej. Ponadto ma dać operatorom komercyjnym środki prawne umożliwiające rozwój sieci szkieletowej oraz wyjść naprzeciw potrzebom dzisiejszych czasów. 

6G: niewiadoma rewolucja

Obecnie jesteśmy świadkami szybkiej rozbudowy sieci 5G w naszym kraju. Coraz więcej miast jest pokrytych zasięgiem sieci najnowszej generacji, a kolejne są na to przygotowywane. Już w tym roku Polkomtel (operator sieci Plus) planuje pokryć zasięgiem 150 miejscowości oraz dotrzeć do 11 mln osób. Jednak świat nie zwalnia i już teraz słychać o pierwszych wzmiankach o 6G. Oczywiście, tak jak to było w przypadku sieci piątej generacji, liderem w badaniach na temat sieci szóstej generacji są Chiny. Pierwsze koncepcje mówią o znacznej wyższości rozwiązań zastosowanych w 6G i prawdziwej rewolucji w stosunku do 5G. Planowane jest wykorzystanie systemów satelitarnych do bezprzewodowej łączności o dużej przepływności oraz kolejne znaczne poprawienie parametrów sieci. Jednak kiedy ta rewolucja dokładnie nastąpi? Tego nie wiemy. Tak jak w przypadku poprzednich generacji, skoku technologicznego możemy spodziewać się za kolejną dekadę.

Maksymilian Furmann, Biuro PTPiREE

Fot.: Adobe Stock, Галина Сандалова

Czytaj dalej