Wszystkiemu winny jest Pan Hertz 5G – technologia mobilna piątej generacji

Share this post:

Technologie cyfrowe, informatyczne i komunikacyjne stały się nieodzownym elementem wszystkich gałęzi gospodarki i naszego życia.  Dają one możliwość budowy nowych rozwiązań nakierowanych na użytkownika końcowego, biznes czy przemysł.

Umożliwiają przy tym rozwijanie nowych modeli biznesowych niejednokrotnie zmieniając funkcjonowanie całych branż lub tworząc nowe. Dawno już zrewolucjonizowały sposoby komunikacji i wymiany informacji przyzwyczajając nas do życia w coraz to bardziej cyfrowym świecie. Wraz z rozwojem rozwiązań branżowych coraz większe wymagania stawiane są wobec możliwości komunikacyjnych – dostępnych prędkości wymiany informacji, poziomu opóźnień, niezawodności, dostępności czy bezpieczeństwa. 5G to rewolucja w świecie łączności bezprzewodowej, dzięki której Internet Rzeczy (IoT) a w konsekwencji Internet Wszystkiego (IoE) stanie się faktem.

Technologia

Historia rozwoju usług telekomunikacyjnych sięga XIX w. To wówczas, zafascynowany pracami Jamesa Maxwella nad korpuskularno-falową naturą światła i Michaela Faradaya nad polem elektromagnetycznym, Heinrich Hertz buduje pierwsze urządzenie mogące transmitować i wykrywać fale elektromagnetyczne. Jest rok 1887. Od tego momentu fale radiowe nazywano falami Hertza a ich częstotliwość mierzona jest w hercach (Hz). Częstotliwość to również główny parametr opisujący falę radiową definiujący na jaką odległość i jaką liczbę informacji możemy przenosić. Fala radiowa przenosi informację dzięki technice modulacji, czyli zmianie parametrów sygnału. Jeżeli modulowane są sygnały sinusoidalne to proces ten może powodować zmiany amplitudy, częstotliwości lub fazy drgań. W przypadku fal prostokątnych (stosowane w technice cyfrowej) procesowi modulacji podlega szerokość, amplituda, pozycja (układ) oraz gęstość impulsów.[1]

Im bardziej wyrafinowaną technikę modulacji stosujemy, tym większą liczbę informacji możemy przesłać. Należy również pamiętać o podstawowej zasadzie związanej z falami radiowymi i przesyłaniem informacji za ich pomocą: im niższa częstotliwość, tym fala dociera na dalszą odległość i lepiej pokonuje fizyczne przeszkody. Im wyższa częstotliwość, tym mocniej ograniczamy zasięg fali, ale zwiększamy ilość informacji, którą może przenosić.

Kolejne generacje (G) bezprzewodowych technologii komunikacyjnych zmieniają się średnio co dekadę. Pierwsze telefony komórkowe pracowały w oparciu o 1G – wówczas jeszcze sieć analogową (1979). 2G to pierwsza sieć cyfrowa działająca w standardzie GSM, która swój komercyjny początek datuje na 1991 rok. Oferowane wówczas możliwości przesyłu danych w oparciu o GPRS (General Packet Radio Service) wynosiły 50 kbit/s a z czasem dzięki wprowadzeniu EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution znany też jako Enhanced GPRS) 1 Mbit/s (500 kbit/s w praktyce). Dalszą ewolucją było 3G (1998), gdzie już na poziomie projektowania założono „równoprawne” świadczenie różnych usług (transmisji dźwięku i wideo oraz pakietowej transmisji danych). Budowa sieci 3G wymagała od operatorów telekomunikacyjnych zmodernizowania wszystkich elementów architektury sieci co wpłynęło na znaczne opóźnienia w jej wdrożeniu i szerokim upowszechnieniu. Dalszym rozwinięciem standardu 3G było wprowadzenie HSPA (High Speed Packet Access) – technologii, która zapewniała mobilny dostęp do internetu z szybkością do 42 Mb/s oraz wysyłanie do 11 Mb/s (wersja Dual-Cell HSPA+ pracuje z prędkościami odpowiednio 84 Mb/s oraz 22 Mb/s). W Polsce technologia ta stała się dostępna z końcem 2008 r. Z czasem wprowadzono również HSPA+DC (Dual Carrier) polegającą na jednoczesnym wykorzystaniu dwóch kanałów transmisji co umożliwiło osiągnięcie transferu do 42 Mb/s przy pobieraniu danych. Czwarta generacja (4G) była projektowana z myślą o przyszłych aplikacjach, które będą ją głównie wykorzystywać, takich jak mobilne strony internetowe, telefonia IP, serwisy gier, mobilna telewizja wysokiej rozdzielczości, połączenia video-konferencyjne czy wideo 3D. W ramach technologii 4G zaczęły funkcjonować takie standardy jak LTE czy WiMAX. 4G umożliwiło teoretyczne zwiększenie prędkości pobierania informacji do ~300 Mb/s przy prędkości wysyłania do 50 Mb/s przy opóźnieniach na poziomie ~10 ms. Praktyka jednak pokazuje, że uzyskiwane realnie parametry są znacznie niższe. Niezależnie od tego z punktu widzenia użytkownika indywidualnego umożliwiają komfortowe oglądanie filmów z jakością Full-HD i 4K (w zależności od dostępności usług i liczby jednoczesnych użytkowników na danym terenie).

Należy pamiętać o tym, że nowe generacje sieci komórkowych to zapotrzebowanie na nowe pasma częstotliwości i szersze pasma widmowe na kanał częstotliwości. Niesie to ze sobą wyzwanie związane z możliwymi zakłóceniami sygnału pochodzącymi z różnych źródeł. Rozpoczyna się dyskusja dotycząca ograniczeń związanych z naziemną transmisją radiową oraz wpływem 5G na transmisje sygnałów z satelitów telekomunikacyjnych. Czyżby w powietrzu robiło się tłoczno?

5G

Założenia zdefiniowane przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU – International Telecommunication Union) dla kolejnej generacji bezprzewodowej technologii komunikacyjnej zawierają parametry wydajnościowe, pojemnościowe, jak i kluczowe zastosowania, które sieć musi być w stanie obsłużyć. Prędkość pobierania informacji ma wynosić do 20 Gb/s (2,5 GB/s) czyli ponad 20-krotnie więcej niż obecnie (dla porównania, maksymalna przepustowość LTE to 1 Gb/s). Dla przykładu, film 4K zapisany na nośniku Blue-Ray będzie mógł być pobrany w zaledwie kilkanaście sekund. Prędkość wysyłania danych ma wynosić do 10 Gb/s (1 GB/s) a opóźnienia w dostępie mają nie przekraczać 1 ms (w obecnym standardzie 4G ta wartość wynosi 98 ms). Jest to parametr krytycznie ważny zwłaszcza ze względu na upowszechnienie się z czasem aut autonomicznych, gdzie przerwanie połączenia z siecią oznaczać będzie zagrożenie bezpieczeństwa. Sieć ma umożliwić również obsługę do ponad 1 mln urządzeń na kilometr kwadratowy powierzchni (w przeliczeniu: 100 urządzeń na 1 metr kwadratowy) co zapewni upowszechnienie się Internetu Rzeczy (IoT) na dotychczas niespotykaną skalę.

ITU zdefiniowała dla 5G scenariusze zastosowań, które mają być obsługiwane:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband) – bardzo szybka transmisja danych wraz z masowym przetwarzaniem informacji, w tym również dla użytkowników stacjonarnych (Fixed Wireless Access),
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) – zastosowania wymagające bardzo niskich opóźnień (poniżej 1 ms) i/lub bardzo wysokiej niezawodności (poziom błędów 10^-5) przeznaczone m.in. dla autonomicznych pojazdów, automatyzacji produkcji, medycyny,
• mMTC (massive Machine Type Communications) – dla szerokiego spektrum zastosowań Internetu Rzeczy, z możliwością obsłużenia do 1 mln urządzeń na 1 km²,

Scenariusze te stanowią tzw. warstwy/plastry (5G network slicing) sieci.

Źródło: Materiał prasowy Orange https://biuroprasowe.orange.pl/blog/siec-5g-bedzie-miala-warstwy/

Dzięki takiemu podejściu będzie możliwe zapewnienie odpowiedniego poziomu świadczenia parametrów usług w zależności od wymogów. Network Slice będzie mógł być tworzony „na życzenie” i umożliwi tworzenie bezpiecznych (odizolowanych od innego typu ruchu) i odpowiednio dopasowanych rozwiązań dla klientów biznesowych, tzw. verticals.

W perspektywie najbliższych kilku lat sieć 5G nie ma zastąpić technologii 4G/LTE. Różnice pomiędzy nadal rozwijanym 4G/LTE-A (Long Term Evolution Advanced) a 5G dla użytkowników końcowych mogą być niezauważalne zwłaszcza w początkowym okresie jej wdrażania, gdzie będziemy mówić o sieci uniwersalnej czy hybrydowej opartej jednocześnie o kilka standardów. Wraz z upowszechnianiem się technologii wirtualizacji sieci, wirtualizacji funkcji sieciowych, segmentacji zaczną pojawiać się systemy umożliwiające skorzystanie z tych benefitów. Nie wydarzy się to jednak wcześniej niż w przeciągu najbliższych 2-4 lat. Główną barierą są obecnie koszty związane z rozbudową infrastruktury po stronie operatorów telekomunikacyjnych. Wymusza to na nich myślenie już teraz o nowych modelach świadczenia usług i obszarach komercjalizacji a, co za tym idzie, całkowicie odmiennych od dotychczasowych modelach biznesowych. W skład tych nowych wejdą z pewnością parametry dotychczas nie wykorzystywane przez telekomy, takie jak liczba jednocześnie funkcjonujących urządzeń w segmencie sieci, liczba wymienianych komunikatów pomiędzy urządzeniami, filtrowanie i zabezpieczenie połączeń dla IoT oraz inne, dzięki którym uda się, miejmy nadzieję, przybliżyć realizację planów rozwojowych w zakresie sieci. Może się też okazać, że partnerami rozwoju infrastruktury staną się bezpośrednio rządy, miasta czy konkretne firmy chcące korzystać na szeroką skalę z nowych rozwiązań.

[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Modulacja