5G - ewolucja czy rewolucja?

Każda nowa generacja telefonii komórkowej przynosi ze sobą nowinkę. 1G to analogowa technologia przesyłania dźwięku z początku lat osiemdziesiątych, a 2G to już cyfrowa technologia przesyłu dźwięku, tekstu w postaci wiadomości SMS i danych z początku lat dziewięćdziesiątych. 3G to rewolucja z końca lat dziewięćdziesiątych jeśli chodzi o Internet mobilny, a 4G jest obecnie dobrze nam znanym standardem przesyłu danych z wysoką prędkością sprzed dziesięciu lat. Ericsson przygotowuje świat przemysłu i odbiorców indywidualnych na przyjęcie nowej technologii - 5G. Jaką nowinkę nam ona zaoferuje - dekadę po wprowadzeniu 4G?

5G zapewnia znacznie szybszy przesył danych, większą liczbę zestawionych połączeń, zdecydowanie mniejsze opóźnienia i wiele innych ulepszeń. To właśnie ta technologia ma umożliwić sterowanie dronami, zdalne operacje i funkcjonowanie w pełni autonomicznych samochodów na niespotykaną dotąd skalę.

Tyle w teorii. Ale co tak naprawdę jest tu istotne?

Trzy obszary 5G

5G skupia się przede wszystkim na trzech obszarach. Pierwszy z nich to ulepszony mobilny dostęp szerokopasmowy, który radzi sobie z ogromnym wolumenem danych i liczbą użytkowników. Drugi obszar - ogrom komunikacji typu Machine to Machine dla IoT - nie wymaga wysokiego zużycia energii, a zarazem obsługuje bardzo dużą ilość urządzeń w tym samym czasie. Trzeci obszar to ultra niezawodna, zapewniająca niską latencję komunikacja, która ma na celu zaspokojenie krytycznych potrzeb bezpieczeństwa dla różnych aplikacji.

Pierwsza prawdziwa specyfikacja 5G

Oficjalnie ukończono pierwszą prawdziwą specyfikację 5G. Organizacja, która reguluje standardy komórkowe - 3GPP - podpisała się pod pierwszą specyfikacją dla 5G NR (New Radio) na spotkaniu w Lizbonie w grudniu 2017 roku.

Mapa drogowa (źródło: 3GPP)

Opisano pierwszy krok milowy w kierunku 5G NR NSA deployment. Czym to tak naprawdę jest? Spróbujmy rozpisać wszystkie składniki tej nazwy. 5G to oczywiście nowy standard. NR - New Radio - czyli nowy, bezprzewodowy interfejs pomiędzy stacjami bazowymi (w 5G nazywanymi gNodeB), a urządzeniami mobilnymi, opracowany dla potrzeb 5G. NSA – Non Standalone - oznacza nieautonomiczny system, który nie jest w stanie działać samodzielnie.

Nowy interfejs radiowy

Czyli w pierwszej fazie 5G wykorzysta istniejącą sieć radiową i szkieletową (EPC – evolved packet core) LTE jako podstawę do zarządzania mobilnością. W tym modelu urządzenia mobilne z obsługą 5G (czyli np. Twój smartfon) połączą się z częstotliwościami 5G dla uzyskania lepszej przepustowości danych, ale nadal będą korzystać z LTE do zadań niezwiązanych z danymi. Możemy zaliczyć do nich zarządzanie przesyłanymi danymi czy przełączanie się między stacjami bazowymi (tzw. Handover), a także przejście do niższych technologii radiowych (tzw. Fallback) w przypadku braku zasięgu 5G.

Oznacza to, że włączając telefon i logując się do sieci będziemy ciągle korzystać z sieci 4G. W momencie, gdy telefon (jeśli jeszcze możemy tak go nazwać) znajdzie się w zasięgu sieci NR, zostanie automatycznie do niej przełączony, a nad wszystkim czuwać będzie sieć LTE. Mówiąc prościej 5G to nowy interfejs radiowy, a reszta jest „załatwiana” przez 4G. „Tylko” czy „aż”? Czy możemy powiedzieć, że nowy interfejs radiowy to prawdziwa rewolucja?

Nic nowego?

Patrząc z perspektywy wykorzystanej modulacji może się wydawać, że to absolutnie nic nowego, ale nic bardziej mylnego! To prawda, że dobrze znana nam z LTE czy choćby z Wifi - modulacja OFDMA (ortogonalne zwielokrotnianie w dziedzinie częstotliwości) wciąż będzie  używana, ale wynika to tylko z faktu, że OFDM jest poprostu doskonałym wyborem dla NR ze względu na wielodrogowość, stosunkowo prostą implementację z użyciem algorytmu FFT i - dzięki temu - niską złożoność odbiorników, wysoką wydajność widmową oraz łatwą integrację z technologią MIMO. A to właśnie jest kluczowe dla 5G - głównego odbiorcy technologii zwanej Massive MIMO.

Massive MIMO

Wygląda na to, że Massive MIMO odegra kluczową rolę w przyszłościowych sieciach 5G. Rzeczywiście, kilku operatorów sieci komórkowych na całym świecie zaczęło już wdrażać tę technologię dla 4G, ale prawdziwe apogeum tego rozwiązania zobaczymy dopiero w 5G.

MIMO oznacza Multiple-input multiple-output. Chociaż wiąże się z wieloma technologiami, MIMO można zasadniczo sprowadzić do jednej zasady: sieć bezprzewodowa, która umożliwia transmisję i odbiór więcej, niż jednego sygnału danych przy użyciu tego samego kanału radiowego. Dlaczego Massive? 4G, jak również WiFi, używają zwykle dwóch lub czterech anten. Z kolei Massive MIMO to system MIMO ze szczególnie dużą ich liczbą. Nie ma ustalonej liczby anten, aby można powiedzieć, że jest to już konfiguracja Massive MIMO, ale można mówić o zastosowaniu dziesiątek, a nawet setek anten.

Zaletą sieci MIMO w porównaniu do zwykłej sieci jest to, że może ona zwielokrotniać pojemność połączenia bezprzewodowego bez konieczności korzystania z większej ilości widm. Początkowe testy wskazują na znaczną poprawę wydajności i w niedalekiej przyszłości mogą potencjalnie przynieść nawet jej pięćdziesięciokrotny wzrost. Im więcej anten ma nadajnik/odbiornik, tym więcej możliwych ścieżek sygnałowych oraz lepsza wydajność pod względem szybkości transmisji danych i niezawodności łącza. Większa liczba anten w sieci Massive MIMO sprawi, że będzie znacznie bardziej odporna na zakłócenia i celowe zakłócanie, niż obecne systemy, które wykorzystują tylko kilka anten. Będzie to miało znaczące korzyści w szczególności dla uzyskania silnego sygnału w pomieszczeniach, a nawet np. w garażach podziemnych! Massive MIMO może również pracować w wyższych pasmach częstotliwości, co znacząco poprawi wydajność i dostępność pasma dla wielu użytkowników w tym samym czasie.

Brzmi pięknie, ale jak wiemy każda antena potrzebuje energii. Dodatkowo, czy jest to rzeczywiście możliwe, że urządzenia będą w zasięgu aż tak dużej liczby anten? Tutaj z pomocą przychodzi nam kolejna kluczowa dla 5G technologia - Beamforming.

Beamforming

Beamforming (formowanie wiązki) to technika przetwarzania sygnałów stosowana w matrycach MIMO. Wykorzystuje się ją do kierunkowej transmisji lub odbioru sygnału. Osiąga się to poprzez łączenie elementów w układ w taki sposób, że sygnały interferują pod określonymi kątami, wzajemnie się wzmacniając, podczas gdy inne - w wyniku interferencji - są wygaszane. Kształtowanie wiązki może być stosowane zarówno w nadajnikach, jak i odbiornikach, aby osiągnąć znacznie ulepszoną selektywność przestrzenną w porównaniu z wielokierunkowymi antenami.

Kształtowanie wiązki poprawia również stosunek sygnału do szumu, ograniczając zakłócenia do małych cel komórkowych dla całej przestrzeni wokół nadajnika. Wykorzystanie formowania wiązki jest bardzo istotne dla niższych częstotliwości, aby np. rozszerzyć zasięg i zapewnić wyższą szybkość transmisji danych. Ponadto,nadajnik i odbiornik mogą wykorzystywać formowanie wiązki do śledzenia siebie nawzajem i do poprawy wydajności energetycznej przez dynamicznie tworzone łącze.

Beamforming zwykle wykorzystuje inne technologie zwane Beam Steering (sterowanie wiązką) oraz Beam Tracking (śledzenie wiązki). W przypadku sterowania wiązką, transmisja jest dynamicznie dostosowywana zarówno w pionie, jak i w poziomie, za pomocą sterowalnego dwuwymiarowego układu antenowego. Sterowanie wiązką o silnie skupionej charakterystyce pozwala na uzyskanie silniejszego sygnał radiowego o większej przepustowości danych, który propaguje na większą odległość przy użyciu mniejszej ilości energii. Wynikiem tego jest wzrost wydajności spektralnej, zwiększenie wydajności, zwiększenie przepustowości dla granicy pomiędzy częstotliwościami poszczególnych celek i - finalnie - zwiększenie przepustowości dla pojedynczego użytkownika.

Należy również zauważyć, że sieci Massive MIMO będą wykorzystywać technologię tworzenia wiązki, umożliwiając ukierunkowane wykorzystanie widma. Obecne sieci komórkowe bezmyślnie dzielą pojedynczą pulę widma dla wszystkich użytkowników w pobliżu, co jest wąskim gardłem dla wydajności w gęsto zaludnionym obszarze. Z kolei Massive MIMO i formowane wiązki, które są obsługiwane znacznie sprawniej i wydajniej, pozwolą na zwiększenie prędkości transmisji danych i zmniejszenie opóźnień, które to powinny być znacznie bardziej jednolite w całej sieci.

Zupełnie nowe częstotliwości

Czy możemy zrobić coś jeszcze żeby zwiększyć przepustowość, aby spełnić wymagania 5G? Z pewnością tak. Dzisiejsze sieci bezprzewodowe ciągle borykają się z tym samym problemem. Coraz więcej osób i urządzeń przesyła ilości danych nieznane kiedykolwiek wcześniej, ale nadal łącza zapychane są na tych samych pasmach częstotliwości radiowych, z których korzystają wszystkie technologie telefonii komórkowej. Oznacza to mniejszą przepustowość dla 2G/3G/4G/5G, spowalniając transfer i pogarszając znacząco jakość połączenia.

Jednym ze sposobów obejścia tego problemu jest po prostu przekazywanie sygnałów na zupełnie nowe częstotliwości, które nigdy wcześniej nie były używane do obsługi mobilnej telefonii komórkowej. Dlatego już teraz wiemy, iż 5G NR będzie wykorzystywało również częstotliwości wyższe, niż fale radiowe, które od dawna używane są w telefonach komórkowych – tzw. fale milimetrowe.

Fale milimetrowe są emitowane na częstotliwościach od 30 do 300 GHz - znacznie wyższych w porównaniu do pasm poniżej 6 GHz, obecnie używanych w urządzeniach mobilnych. Nazywa się je falami milimetrowymi, ponieważ różnią się długością w porównaniu do fal radiowych, obsługiwanych przez dzisiejsze smartfony, które mierzą dziesiątki centymetrów długości. Fale milimetrowe mają długość od 1 do 10 mm.

Do tej pory tylko operatorzy satelitów i systemów radarowych stosowali fale milimetrowe. Już teraz niektórzy operatorzy komórkowi zaczęli używać ich do przesyłania danych między stacjonarnymi punktami, takimi jak dwie stacje bazowe. Zastosowanie fal milimetrowych do łączenia użytkowników mobilnych z pobliską stacją bazową to jednak zupełnie nowe podejście.

Istnieje jedna główna bariera dla fal milimetrowych. Nie mogą one łatwo propagować przez budynki lub przeszkody, a dodatkowo są wrażliwe na warunki atmosferyczne. Dlatego nieodłączną technologią dla sieci 5G stanie się Small Cells.

Small Cells

Small cells - czyli małe komórki. Miniaturowe stacje bazowe, które wymagają minimalnej mocy do działania i mogą być gęsto rozmieszczone w miastach. Stacje bazowe będą ulokowane co kilkaset metrów, np. w ulicznych latarniach, pozwalając na osiągnięcie założonej wydajności sieci 5G. Ponieważ częstotliwość determinuje wielkość użytej anteny, small cells będą znacznie mniejsze niż tradycyjne, gdyż transmitują małe fale milimetrowe.

Stworzona w ten sposób struktura sieci powinna zapewniać bardziej ukierunkowane i wydajne wykorzystanie widma. Posiadanie większej liczby stacji oznacza, że ​​częstotliwości używane przez jedną stację do łączenia się z urządzeniami na jednym obszarze mogą być ponownie wykorzystane przez inną stację w sąsiednim obszarze, aby obsłużyć inne urządzenie.

Koszta

Musimy pomyśleć też o ważnym aspekcie, na który zwraca się w dzisiejszych czasach ogromną uwagę. 5G musi być po prostu tanie w utrzymaniu dla operatorów. Większość kosztów sieci telefonii komórkowej wynika z dużej liczby rozproszonych stacji bazowych. W związku z tym koszty związane zarówno z corem - centralną częścią sieci - i jej elementami rozproszonymi – stacjami bazowymi - muszą być brane pod uwagę przy opłacalnej ewolucji sieci. 5G musi zatem istnieć częściowo w chmurze, aby wykorzystywać kombinację technik wirtualizacji, centralizacji i koordynacji, która współdziałając ze sobą pozwala na znaczne ograniczenie kosztów.

Cloud RAN (radio access network w chmurze) umożliwia operatorom obsłużenie wzrostu zapotrzebowania na dane za pomocą technik wirtualizacji funkcji sieciowych, skalowalności sieci, współdziałania warstw oraz wydajnym wykorzystaniu częstotliwości. Wirtualizacja pozwoli również rozproszyć tradycyjną architekturę sieci na elementy, które można w łatwy sposób dostosowywać do wymagań operatorów i klientów, tworząc elastyczne rozwiązania telekomunikacyjne. Ten koncept nazwano Network Slicing i pozwala na dostarczenie operatorom szerokiego wachlarza usług dopasowanego do ich potrzeb.

Ericsson wprowadził na rynek pierwsze radio 5G NR obsługujące MIMO i MU-MIMO o nazwie Ericsson AIR 6468. AIR 6468 posiada 64 anteny nadawcze i tyle samo anten odbiorczych, dzięki czemu wspiera 5G zarówno w obszarze Massive MIMO, jak i Multi-User MIMO. Efektywne formowanie wiązki wymagane przez Massive MIMO jest możliwe dzięki zastosowaniu podzielonej architektury Cloud RAN, która zapewnia wymaganą inteligencję i skalowalność dla naszego nowego radia. Środowisko AIR 6468 zostało zaprojektowane z myślą o zgodności ze standardem 5G NR, jednocześnie obsługując LTE.

Podsumowanie

5G wprowadza wiele nowinek technologicznych, ale to dopiero początek długiej drogi do jej sukcesu. 5G NR NSA można traktować jako pierwszy krok w kierunku zrewolucjonizowania bezprzewodowej technologii przesyłu danych. Przed nami wiele pracy, aby rozwiązać techniczne zagwozdki, jak np. potrzebę utrzymania nieznanej wcześniej ilości jednoczesnych połączeń pomiędzy urządzeniami czy też kwestie bezpieczeństwa, które wydają się kluczowe dla większości zastosowań 5G. Między innymi z tymi problemami rozprawiamy się w codziennej - bardzo wymagającej, ale niezwykle ciekawej - pracy.

A kiedy sieć 5G będzie realnie dostępna w Polsce? Jej pierwszą demonstrację 5G Ericsson przedstawił w listopadzie 2017 roku, a testowe przedsięwzięcia sieci planuje na rok 2019. W 2020 roku zasięgiem 5G pokryta będzie Łódź, a podobne inicjatywy rozpoczną się w innych największych polskich aglomeracjach. Do 2025 roku, zgodnie z wymaganiami Unii Europejskiej, zasięgiem 5G pokryte mają być wszystkie największe miasta oraz najistotniejsze trakty komunikacyjne, zarówno drogowe, jak i kolejowe. Perspektywy są optymistyczne - zwłaszcza zważywszy na fakt, że jeśli chodzi o szybkość wdrożenia technologii LTE, Polska była jednym z najbardziej dynamicznych krajów swojego regionu. Ponadto zaplecze inżynierskie w Łodzi i Krakowie daje realne przeświadczenie, że 5G dla Polski zostanie opracowane i zbudowane przez polskich inżynierów ICT.