Artykuł z poprzedniego miesiąca był wprowadzeniem do łączności krytycznej MCX (Mission Critical Extension). Tym razem skupimy się na nowych funkcjonalnościach sieci 5G – Advanced opisanych w dokumentacji organizacji normalizacyjnej 3GPP (3rd Generation Partnership Project) w ramach najnowszych wydań Release 17 i Release 18.
Jak rozwijały się standardy 3GPP?
Warto przypomnieć, że rozwój sieci telefonii komórkowej odbywa się ramach cyklicznych aktualizacji i publikacji nowych standardów przez organizacje 3GPP.
Inicjalną funkcjonalność czwartej generacji sieci telefonii komórkowej 4G, znaną jako LTE (Long Term Evolution) sformalizowano w Release 8 (wydanym w 2008 r.), a następnie rozbudowano w Release 9. Kolejne wydania Release 10 do 12 wprowadziły funkcjonalności opisane jako LTE-Advanced. Późniejsze rozszerzenia, nazwane LTE-Advanced Pro rozpoczęto opisywać w Release 13 i 14 (od 2016 r.). To właśnie w ych wydaniach wprowadzono pojęcia MCX i MCS (Mission Critical Servives).
Ważne jest, że kolejne wydanie standardu 3GPP jest rozszerzeniem poprzednich. Dla przykładu w wydaniach Release dotyczących LTE wciąż wprowadzano aktualizacje dla poprzednich wersji systemów łączności takich jak: 2G (GSM) i 3G (UMTS). Na analogicznej zasadzie wydania opisujące funkcjonalności 5G też wprowadzają aktualizacje dla standardu 4G czyli LTE.
| Pasmo (band) | Zakres uplink (częstotliwości „w górę”) | Zakres downlink (częstotliwości „w dół”) |
| n26 | 814 – 849 MHz | 859 – 894 MHz |
| n28 | 703 – 748 MHz | 758 – 803 MHz |
| n31 | 452.5 – 457.5 MHz | 462.5 – 467.5 MHz |
| n72 | 461 – 466 MHz | 469 – 474 MHz |
| n85 | 698 – 716 MHz | 728 – 746 MHz |
Podstawowe funkcjonalności 5G NR (New Radio) zaczęto opisywać w Release 15-16 (2018-2020 r.), zaś wydania Release 17 – 18 (2022 -2024 r.) dotyczą 5G-Advanced, często opisywanego też jako NR-Advanced. To właśnie tutaj pojawiło się sporo bardzo ciekawych funkcjonalności w kontekście łączności krytycznej, szczególnie istotnych z perspektywy sektora energetycznego.
Zdjęcie: Adobe Stock, ronstik
Nowości w pasmach sub-1GHz
Kluczowym wyzwaniem łączności krytycznej PPDR (Public Protection and Disaster Relief ) jest efektywne wykorzystanie pasm radiowych poniżej 1GHz, gdzie propagacja radiowa sygnału sprzyja pracy w trudnych warunkach terenowych.
W Release 18 wprowadzono możliwość pracy w kanałach wąskopasmowych o szerokościach mniejszych niż 5 MHz. Szczególnie istotna jest nowa szerokość kanału 3 MHz obejmująca 15 bloków RB (Resource Blocks – bloki zasobów). Do tej konfiguracji zmieniono raster synchronizacyjny z dotychczasowego 1200 kHz na 600 kHz. Zmiana ta minimalizuje ryzyko przypadkowego logowania się starszych urządzeń LTE do sieci 5G działających w nowym wąskim paśmie. Nowe pasma zdefiniowane dla łączności poniżej 1GHz (sub -1GHz) przedstawia tabela 1.
Pasmo n31 jest szczególnie interesujące dla zastosowań łączności krytycznej ze względu na niski zakres częstotliwości (poniżej 500 MHz), co przekłada się na lepsze pokrycie. Niższa częstotliwość umożliwia lepsze pokrycie rozległych obszarów przy użyciu mniejszej liczby stacji bazowych.
Pasmo n72 jest zdefiniowane jako wyłącznie uplink-only a więc pasmo wyłącznie do uplinku, czyli wysyłania danych z terminala 5G UE (user equipment) do stacja bazowej określanej akronimem gNodeB, albo skrótowo gNB. To pasmo może być używane do wysłania danych telemetrycznych, alarmowych, lokalizacyjnych, w szczególności dla PPDR i IoT (Internet of Thing – internetu rzeczy). Pasmo n72 jest komplementarne do pasma n71 (w tabeli 2 przykład konfiguracji).
| Pasmo | Typ | Zakres [MHz] | Szerokość kanału | Przeznaczenie |
| n71 | FDD | 617-652 Dowlink 663-698 Uplink | ≥ 5 MHz zwykle 10-20 MHz) | Główne pasmo 5G NR |
| n72 | UL only | 698-702 uplink | 3 MHz | Uplink awaryjny PPDR only, IoT |
Nowa kategoria urządzeń RedCap
RedCap (Reduced Capability) to koncepcja urządzeń uproszczonych, energooszczędnych, a przez to tańszych, które korzystają z mniejszego (zredukowanego) podzbioru funkcjonalności ekosystemu 5G. RedCap znane jest również pod nazwą NR-Light (New Radio Light). Pojęcie NR-Light było używane we wczesnych pracach nad standardem 3GPP Release 17, zanim oficjalnie zaczęto posługiwać się terminem RedCap. To nazewnictwo można jeszcze spotkać w materiałach marketingowych dostawców rozwiązań 5G NR. NR-Light miał wskazywać na coś „lżejszego” od pełnego NR (New Radio, czyli pełnej 5G), ale nadal zgodnego z architekturą i kluczowymi funkcjami sieci 5G.
| Generacja | Wersja 3GPP | Publikacja standardu | Implementacja w sieciach (infrastrukturze) | Implementacja w urządzeniach końcowych |
| 4G (LTE) | Release 8 | 2008 | ~ 2010 | ~ 2011 wersje wstępne ~ 2013 wersje dojrzałe |
| 4G (LTE-advanced) | Release 10 | 2011 | ~ 2013 | ~ 2013 wersje wstępne ~ 2015 wersje dojrzałe |
| 4G (LTE-Advanced Pro) | Release 13 | 2016 | ~ 2017 ~ 2020 (MCX) | ~ 2018 wersje wstępne ~ 2019 wersje dojrzałe ~ 2020 wersje z MCX |
| 5G (NR, Phase 1) | Release 15 | 2018 | ~ 2019-2020 | ~ 2019 wersje wstępne ~ 2021 wersje dojrzałe |
| 5G (NR, Phase 2) | Release 16 | 2020 | ~ 2021- 2022 | ~ 2021 wersje wstępne ~ 2023 wersje dojrzałe |
| 5G-Advanced (wstępny) (NR – Advanced) | Release 17 | 2022 | Spodziewane ~2025-2026 | Spodziewane: ~ 2026 RedCap: ~2027 |
| 5G-Advanced (pełny) (NR – Advanced) | Release 18 | 2024 | Spodziewane 2026-2027 | Spodziewane 2026 (wesje wstępne) 2027 wersje dojrzałe |
Funkcjonalność RedCap / NR Light została oficjalnie zdefiniowana w Release 17, a w Release 18 została znacząco rozszerzona w ramach tzw. RedCap Phase 2.
Główne cechy RedCap/ NR-Light:
- niższa przepustowość niż w pełnych urządzeniach 5G, pod kątem urządzeń o średnim zapotrzebowaniu na dane,
- redukcja złożoności i kosztów urządzeń poprzez uproszczenie konstrukcji sprzętowej (np. pojedyncza
antena nadawczo-odbiorcza), - znacznie niższe zużycie energii, co pozwala na dłuższe zasilanie bateryjne urządzeń.
Charakterystyka techniczna urządzeń RedCap:
- obsługa mniejszego zakresu pasma roboczego, maksymalnie do 20 MHz, mniejsza liczba anten co pozwalana na stosowanie prostszych układów radiowych,
- brak zaawansowanych funkcji jak:
-MIMO (Multiple Input Mutiple Output) to technika zwiększenia przepustowości transmisji danych poprzez równoczesne wykorzystanie wielu anten nadawczych i odbiorczych,
-CA (Carrier Aggregation) to łączenie kilku nośnych w jeden kanał logiczny, każda nośna może być w tym samym paśmie lub pasmach zbliżonych do siebie albo wręcz nawet w pasmach „odległych” od siebie, np. 800 MHz plus 2600 MHz,
-rezygnacja z obsługi modulacji o wysokim poziomie złożoności, takich jak np. 256-QAM i 1024-QAM, które są stosowane wyłącznie w warunkach o bardzo wysokim SNR (stosunku sygnału do szumu). Domyślnie stosowane są odporniejsze modulacje takie 64-QAM, 16-QAM, QPSK, które mają mniejsze wymagania SNR i umożliwiają pracę w mniej korzystnych warunkach kanału radiowego, - wsparcie dla szybkiego budzenia i przechodzenia w tryb uśpienia (idle/inactive) oraz lepsze procedury oszczędzania energii w tym harmonogramowanie transmisji uwzgledniające zużycie energii,
- obsługa mniejszych slotów transmisyjnych – tzw. mini-slotów,
- wprowadzenie lepszej obsługi redundancji transmisji poprzez stosowanie większej liczby powtórzeń (powielania danych) zarówno sygnałów kontrolnych i danych po to, aby zwiększyć szansę na poprawny odbiór przy niskim poziomie sygnału,
- wprowadzenie nowych technik precyzyjnego lokalizowania urządzeń chociażby poprzez metodę Downlink Time Difference of Arrival (DL-TDOA), czyli lokalizowania urządzeń polegającą na pomiarze różnicy czasów dotarcia sygnału z kilku stacji bazowych, które nadają zsynchronizowane sygnały. Urządzenie końcowe (UE) odbiera te sygnały i mierzy różnicę czasów ich odbioru i na podstawie techniki TDOA (Time Difference of Arrival) urządzenie wylicza swoje położenie.
Podsumowanie
Rozwój 5G-Advanced w ramach Release 17 i 18 wyraźnie pokazuje, że technologie komunikacji mobilnej coraz lepiej odpowiadają na specyficzne potrzeby łączności krytycznej – w tym do potrzeb energetyki, ratownictwa oraz ochrony infrastruktury.
Wprowadzenie nowych pasm sub- -1GHz i urządzeń RedCap otwiera drogę do szerokiego wdrożenia energooszczędnych rozwiązań 5G w systemach PPDR, a także w przemyśle i energetyce. Niestety na pełną dostępność urządzeń przyjdzie nam jeszcze trochę poczekać. W kolejnych latach należy spodziewać się migracji rozwiązań LTE -MC (Mission Critical) do rozwiązań NR-MC jako rozwiązań zapewniających lepsze funkcjonalności i pozwalające lepiej wykorzystać dostępne zasoby radiowe. Miejmy nadzieję, że dług technologiczny wynikający z ograniczeń LTE zostanie szybko zniwelowany, umożliwiając pełne wykorzystanie potencjału 5G-Advanced.
Krystian Górski
