Główny system łączności mobilnej obecnej dekady

W opisach sieci 5G nie brakuje marketingowego pustosłowia oraz lekko „podkręconych” parametrów, często z pominięciem istotnych detali technicznych. Warto więc zdjąć to ładne opakowanie i przyjrzeć się mobilnym sieciom piątej generacji od strony inżynierskiej.

Sieć 5G nie tylko jest naturalną kontynuacją systemów 2G, 3G i 4G, ale też została zaprojektowana pod nowe potrzeby: ponad stukrotny wzrost pojemności sieci, niższe opóźnienia, masowy Internet Rzeczy IoT (Internet of Things) oraz poprawa efektywności energetycznej.

Od wymagań do technologii: ITU i 3GPP
Punktem wyjścia do standaryzacji kolejnych generacji sieci mobilnych są prace ITU (International Telecommunication Union – Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny). ITU jest wyspecjalizowaną agendą Organizacji Narodów Zjednoczonych, która globalnie koordynuje zasady wykorzystania widma radiowego oraz współpracę międzynarodową w telekomunikacji. W obszarze radiokomunikacji kluczowym dokumentem regulacyjnym są Radio Regulations (RR) – międzynarodowe przepisy porządkujące m.in. przydziały pasm i warunki ich użytkowania.

Za prace związane z radiokomunikacją odpowiada sektor ITU-R (Radiocommunication Sector), w którym powstają ramy wymagań i rekomendacje dla systemów radiowych, w tym globalnych systemów łączności mobilnej.

ITU opisywało cele i wymagania dla wcześniejszych generacji sieci mobilnych w dokumentach IMT-2000 (3G) oraz IMT-Advanced (4G). Dla 5G analogiczną rolę pełni program IMT-2020, definiujący zestaw wymagań, jakie powinien spełniać system piątej generacji. Prace te realizowała międzynarodowa grupa robocza WP 5D (Working Party 5D), pełniąca w praktyce rolę technicznego „parlamentu” odpowiedzialnego za definiowanie wymagań, ocenę oraz zatwierdzanie globalnych standardów systemów łączności mobilnej – od wcześniejszych generacji aż po kierunki rozwoju 6G.

Scenariusze usługowe IMT-2020
W ramach IMT-2020 opracowano scenariusze usługowe w trzech klasach:

• ƒ eMBB (enhanced Mobile BroadBand) – ultraszerokopasmowy mobilny internet, będący rozwinięciem klasycznego mobilnego internetu szerokopasmowego znanego z 4G/LTE, ale o znacznie większej przepustowości, pojemności i jakości usług. Obejmuje streaming wideo 4K/8K, usługi wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości (VR/AR – Virtual Reality/ Augmented Reality), usługi dla graczy komputerowych (cloud gaming), a także stacjonarny dostęp do internetu realizowany drogą radiową – FWA (Fixed Wireless Access), czasami określany jako „zamiennik światłowodu po radiu”;
• ƒ URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications) – łączność o ultraniskich opóźnieniach i ekstremalnie wysokiej niezawodności, dedykowana dla zastosowań krytycznych z punktu widzenia bezpieczeństwa lub sterowania w czasie rzeczywistym, takich jak: medycyna zdalna, telechirurgia, automatyka przemysłowa, robotyka czy pojazdy autonomiczne, w tym komunikacja V2X (Vehicle-to-Everything) – ogólna nazwa systemów łączności bezprzewodowej, w których pojazd komunikuje się z otoczeniem: innymi pojazdami, infrastrukturą drogową, siecią komórkową oraz pieszymi;
• ƒ mMTC (massive Machine Type Communications) – profil komunikacji maszynowej, który ma stanowić podstawę działania IoT, w tym IIoT (Industrial IoT – przemysłowego internetu rzeczy) na skalę masową: sensory, liczniki, inteligentne miasta (smart city); mMTC definiuje specyficzny profil łączności przeznaczony dla:
  • ogromnej liczby urządzeń,
  • niskiego poboru energii,
  • małych pakietów danych,
  • niskiej częstotliwości transmisji,
    z zakładaną obsługą do 1 mln urządzeń
    na km².

Minimalne wymagania ITU dla 5G
Efektem prac WP 5D był raport ITU-R M.2410-0 (11/2017), który definiuje minimalne wymagania techniczne dla interfejsu radiowego IMT-2020. Wśród kluczowych parametrów znalazły się m.in.:

• szczytowa przepływność: 20 Gbit/s DL (downlink – łącze w dół) oraz 10 Gbit/s UL (uplink – łącze w górę);
• szczytowa efektywność widmowa: 30 bit/s/Hz DL i 15 bit/s/Hz UL, (efektywność widmowa to miara, ile danych można przesłać przez określoną szerokość pasma w danym czasie);
• przepływność doświadczana przez użytkownika (user experienced data rate): ok. 100 Mbit/s DL i 50 Mbit/s UL w scenariuszu gęstej zabudowy miejskiej (eMBB);
• opóźnienia w płaszczyźnie użytkownika rzędu 4 ms (eMBB) i 1 ms (URLLC) oraz ok. 20 ms w Control Plane (płaszczyzna sterowania – w sieciach mobilnych odpowiedzialna jest za sygnalizacje, zestawianie połączeń; Control Plane zarządza ruchem sieciowym, ale nie przenosi danych użytkownika, bo te dane są transportowane w User Plane);
• mobilność użytkownika do 500 km/h.

3GPP i dojrzewanie 5G w kolejnych release’ach
Organizacja 3GPP (3rd Generation Partnership Project) opracowuje specyfikacje techniczne sieci komórkowych. W przypadku 5G chodzi przede wszystkim o NR (New Radio), architekturę sieci dostępowej oraz mechanizmy radiowe. Standaryzacja 5G rozwijała się etapowo w kolejnych wydaniach (release’ach):

• Release 15 (2018) – pierwsza praktyczna wersja 5G NR, start wdrożeń w trybach NSA (Non-Standalone) i SA (Standalone), fundament eMBB;
• Release 16 (2020) – rozszerzenia przemysłowe, rozwój URLLC, rozwiązania V2X;
• Release 17 (2022) – rozwój 5G dla IoT i specjalizacji urządzeń (m.in. RedCap), elementy łączności nie-naziemnej NTN (Non-Terrestrial Networks);
• Release 18 (w trakcie prac standaryzacyjnych) – początek 5G-Advanced, czyli marketingowego 5.5G .

Zakresy pasm 5G: FR1 i FR2
5G NR (New Radio) pracuje w szerokim zakresie częstotliwości, podzielonym na dwa przedziały:

• FR1 (Frequency Range 1) – pasma poniżej 7,125 GHz (410–7125 MHz), historycznie nazywane „Sub-6 GHz”, choć zakres ten sięga powyżej 6 GHz (Definicja FR1 zmieniła się w Relase 17. Niektóre źródła podają termin Sub-7 GHz). Zapewnia pokrycie obszarowe i dobrą propagację, także w warunkach NLOS (Non-Line of Sight to propagacja bez linii wzroku, czyli sytuacja typowa w realnych warunkach: sygnał dociera do odbiornika pośrednio, poprzez odbicia, dyfrakcję i rozpraszanie na budynkach, drzewach, terenie itp.). Typowe pasma to m.in. 700 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz czy 3,5 GHz, z kanałami o szerokości do 100 MHz;
• FR2 (Frequency Range 2) – mmWave (millimeter wave – fale milimetrowe), np. 26/28/39 GHz. Dostępne są tu bardzo szerokie kanały (rzędu 400 MHz, a przy agregacji nawet 800 MHz), co przekłada się na najwyższe przepływności. Ceną są krótsze zasięgi, większe tłumienie i częsta konieczność propagacji zbliżonej do LOS (Line of Sight – to propagacja w linii wzroku, czyli sytuacja, w której między nadajnikiem (stacją bazową) a odbiornikiem (UE) istnieje bezpośrednia, niezakłócona ścieżka sygnału radiowego. Nie ma przeszkód terenowych ani budynków blokujących sygnał). FR2 jest więc narzędziem do tzw. hotspotów i budowania bardzo małych komórek (small cells), których celem jest zapewnianie zasięgu 5G w obszarach gęstej zabudowy (np. stadionach, halach i centrach miast), na koncertach, festiwalach itd.), gdzie łatwiej zapewnić warunki zbliżone do widoczności linii wzroku.

Rodzaje dupleksu i pasma uzupełniające: TDD, FDD, SUP/SDL oraz SUL
W 5G stosuje się dwa podstawowe tryby dupleksu:

• TDD (Time Division Duplex) – uplink i downlink współdzielą to samo pasmo, ale są rozdzielone w czasie na szczeliny (sloty). Proporcje DL/UL mogą być dostosowywane do ruchu, co jest użyteczne przy typowo „downlinkowym” obciążeniu sieci;
• FDD (Frequency Division Duplex) – uplink i downlink działają równocześnie, ale w oddzielnych pasmach częstotliwości.
• Oprócz tego w 5G (szczególnie w FR1) spotyka się pasma jednokierunkowe:
• SDL / SUP (Supplementary Downlink) – dodatkowe pasmo wykorzystywane wyłącznie do downlinku w celu zwiększenia przepustowości pobierania danych;
• SUL (Supplementary Uplink) – dodatkowe pasmo uplinku poprawiające zasięg i jakość wysyłania, zwłaszcza gdy downlink działa w wyższych częstotliwościach.

Warto zauważyć, że w trybie SUL urządzenie UE (User Equipment – terminal użytkownika) w danym momencie nadaje na jednym uplinku – albo na uplinku podstawowym (powiązanym z pasmem TDD/FDD), albo na uplinku uzupełniającym. Ma to na celu uproszczenie wymagań sprzętowych wobec terminala (brak konieczności jednoczesnej transmisji na dwóch pasmach na raz). To odróżnia SUL od klasycznej agregacji uplinku (UL CA), w której UE nadaje na wielu nośnych jednocześnie.

Elementy sieci dostępowej: gNB, płaszczyzny i tryby wdrożeń
Warto zaznaczyć, że pojęcia 5G i NR nie są synonimami:

• 5G – to ogólna nazwa całego systemu telekomunikacyjnego piątej generacji, obejmującego zarówno sieć dostępową (RAN-Radio Access Network), rdzeń sieci (5GC skrót od 5G Core), jak i architekturę usługową;
• NR (New Radio) – to wyłącznie interfejs radiowy (air interface) zdefiniowany przez 3GPP, czyli warstwa dostępu radiowego. NR jest częścią 5G, ale nie jest całym 5G. W 5G NR stacja bazowa nosi nazwę gNodeB, w skrócie gNB (przedrostek „g” od next Generation – nawiązanie do historycznego NodeB z UMTS). Dla porównania – w LTE stacją bazową był eNodeB (eNB – evolved NodeB).

Wdrożenia 5G często rozpoczynały się od trybu NSA (Non-Standalone), w którym 5G „dokłada” pojemność radiową (interfejs powietrzny NR), ale warstwa sterowania i sygnalizacji opiera się na infrastrukturze LTE (tzw. kotwica LTE – LTE anchor). W konsekwencji sieć w trybie NSA nie jest w stanie w pełni dostarczyć parametrów jakościowych definiowanych przez specyfikację 5G, ponieważ pozostaje ograniczona architekturą i możliwościami rdzenia sieci 4G (EPC Evolved Packet Core ).

Docelowym modelem jest SA (Standalone), w którym 5G NR działa w pełni autonomicznie, w oparciu o własny rdzeń sieci 5GC (5G Core) – dopiero to umożliwia realizację pełnego potencjału 5G, w tym network slicingu, URLLC czy natywnej obsługi edge computing (przetwarzania danych na brzegu sieci). W praktyce wdrożeń SA w Europie jest wciąż niewiele, choć materiały marketingowe operatorów nierzadko odwołują się do parametrów osiągalnych wyłącznie w tej architekturze. Network slicing to mechanizm umożliwiający utworzenie na wspólnej fizycznej infrastrukturze radiowej wielu niezależnych, wirtualnych sieci (tzw. slice’ów), z których każdy ma odrębne, gwarantowane parametry jakościowe dostosowane do konkretnego zastosowania.

MIMO i massive MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output) zwiększa przepustowość i odporność transmisji dzięki wykorzystaniu wielu anten po stronie nadawczej i odbiorczej. 5G rozwija tę koncepcję do massive MIMO – dziesiątek elementów antenowych po stronie stacji bazowej (np. do 64 na sektor).

Kluczowa zmiana jakościowa to połączenie massive MIMO z zaawansowanym beamformingiem (kształtowaniem wiązki): sieć może kierować sygnał bardziej precyzyjnie do konkretnego UE, obsługiwać wielu użytkowników równolegle i ograniczać interferencje (m.in. przez nulling czy successive interference
cancellation). W efekcie rośnie SNR (Signal-to-Noise Ratio – stosunek sygnału do szumu) i poprawia się wykorzystanie widma.

CA – agregacja nośnych
CA (Carrier Aggregation) pozwala łączyć kilka nośnych (Component Carriers) w jeden logiczny kanał. Nośne mogą być sąsiadujące lub odległe częstotliwościowo (np. „niskie” pasmo dla zasięgu +„wysokie” dla pojemności). CA to mechanizm dwustronny, może dotyczyć UE, ale też gNodeB. CA od strony UE wymaga bardziej złożonego frontendu RF (części radiowej w urządzeniu – wiele równoległych łańcuchów
nadawczych).

Z perspektywy radiowej 5G NR to system znacznie bardziej złożony niż LTE – obejmuje nowe zakresy widma (FR1/FR2), elastyczne tryby dupleksu, pasma uzupełniające, zaawansowane techniki antenowe (massive MIMO, beamforming) czy agregację nośnych. Jednocześnie jego możliwości są ściśle powiązane z architekturą wdrożenia (NSA vs SA) oraz ewolucją standardu w kolejnych release’ach 3GPP. Obecnie trwają prace nad Release 18 (5G-Advanced), określanym niekiedy jako „5.5G” – etapem pośrednim na drodze do 6G (IMT-2030). Do dokończenia specyfikacji 6G będą potrzebne jeszcze dwa wydania Release 20 i Relase 21.

Krystian Górski