Wchodzimy w erę 5G…

5G – co to takiego?

5G, według definicji, jest technologią mobilną (piątej generacji) obejmującą standard systemu, spełniający założenia Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego, postawione przed tym systemem – ITU IMT-2020. Założenia te zawierają szereg wymagań, odnośnie parametrów wydajnościowych. Należą do nich między innymi: prędkość przesyłu danych – sięgająca 20 Gb/s, efektywność widmowa – do 30 bit/s/Hz, bardzo niskie opóźnienia i bardzo wysoka niezawodność (niezależnie od warunków), stabilność łączności w ruchu (nawet przy prędkościach przekraczających 500 km/h!) oraz możliwość obsłużenia do jednego miliona urządzeń na jeden kilometr kwadratowy powierzchni.

Źródło: https://www.qorvo.com/design-hub/blog/getting-to-5g-comparing-4g-and-5g-system-requirements

Jak wygląda sytuacja z rozwojem technologii 5G w naszym kraju?

Aktualnie na terenie całego kraju prowadzone są pierwsze testy terenowe nowej technologii mobilnej. Od początku września ubiegłego roku Huawei wspólnie z Orange testują swoje moduły na terenie Gliwic. Po udanych testach laboratoryjnych, obie firmy zdecydowały się na uruchomienie pierwszej stacji bazowej w Polsce, z anteną obsługującą „massive MIMO”. Celem eksperymentu było sprawdzenie, jak technologia ta poradzi sobie z działaniem w gęsto zabudowanym obszarze, oraz rozmaitymi, często niekorzystnymi, warunkami atmosferycznymi. Wyniki testów okazały się bardzo zadowalające. Kanałem wykorzystywanym do badań jest pasmo o szerokości 160 MHz (3430 – 3590 MHz). Udało się na nim uzyskać prędkość przesyłu danych na poziomie 1,5 Gb/s (w warunkach laboratoryjnych wartość ta wyniosła 1,8 Gb/s), co jest wynikiem przeszło dwa razy lepszym, niż prędkość aktualnie oferowana w tym miejscu przez standard 4G. Co ciekawe, połączenie bezprzewodowe w tym eksperymencie okazało się szybsze niż światłowodowe!

T-Mobile stworzyło testową sieć 5G w samym centrum Warszawy, początkowo składającą się z pięciu stacji bazowych (docelowo ma być ich piętnaście). Zakres częstotliwości, z jakich może korzystać operator, to 3500 MHz – 3600 MHz. Ponadto, oprócz samego uruchomienia nadajników, T-Mobile otworzyło również #5G_Lab – nowoczesne centrum informujące o potencjalnym zastosowaniu nowego rozwiązania telekomunikacyjnego.

Poza wspomnianymi podmiotami, za pozwoleniami wydanymi przez UKE (ważnymi do 23 września 2019 roku), testy 5G na terenie naszego kraju przeprowadzają również: Nokia, Ericsson oraz Politechnika Łódzka. Plan Ministerstwa Cyfryzacji zakłada, że pierwsze komercyjne punkty dostępu 5G na terenie naszego kraju (pierwszeństwo będą tutaj miały miasta powyżej 400 tys. mieszkańców) zostaną uruchomione już w przyszłym roku.

Budowa i działanie massive MIMO. Żródło: IEEE Spectrum/Youtube, sierpień 2017

Czy tak zadowalające wyniki badań, jakie otrzymano na terenie Gliwic, całkowicie dyskredytują działanie klasycznych sieci przewodowych? Nic bardziej mylnego. Stacje bazowe, wykorzystujące technologię LTE, podłącza się do sieci szkieletowej za pomocą rozwiązań o różnej przepustowości. Obecnym standardem są linie radiowe oraz łącza światłowodowe, o szybkości 1 Gb/s. Dla 5G to stanowczo za mało… Stąd, każda ze stacji bazowych nowej generacji musi być dodatkowo wyposażona w dostęp światłowodowy, w standardzie 10 Gb/s. Takie rozwiązanie w swoich modułach wprowadziło T-Mobile. Bez niego sieć szkieletowa stanowiłaby tzw. „wąskie gardło”, co oznacza, że nie byłaby w stanie przekazać całej paczki danych przesyłanych przez anteny dostosowane do standardu 5G. Operator wyposażył stacje bazowe w anteny obsługujące tzw. beamforming, czyli formowanie wiązki. W ten oto sposób inżynierowie i projektanci 5G poradzili sobie z jednym z największych wyzwań, przed którym stanęli. Wyższe częstotliwości, z jakich korzysta nowa technologia w stosunku do, znanych już wszystkim, sieci 4G oznaczają większe tłumienie, które to przekłada się na znaczne skrócenie zasięgu poszczególnych stacji bazowych. Gdyby nie sprytne zastosowanie beamformingu, wszyscy operatorzy musieliby zwiększyć zagęszczenie stacji bazowych. Stąd każda ze stacji przekaźnikowych 5G posiada anteny panelowe, wyposażone w duża liczbę promienników. W rzeczywistości są to 8-kolumnowe układy antenowe, w których każda kolumna promieniuje sygnał przesunięty w fazie, względem sygnału z kolumny sąsiedniej. Anteny 5G charakteryzują się promieniowaniem za pomocą wąskiej wiązki, co oznacza, że dane przeznaczone dla konkretnego użytkownika są wysyłane tylko w jego kierunku, a nie w całym sektorze. Dzięki temu sygnał 5G wpływający do terminala ma znacznie lepszą jakość – terminal nie odbiera interferencji w postaci jakichkolwiek sygnałów przeznaczonych dla innych użytkowników.

Zdjęcia zaczerpnięte z witryny: https://www.speedtest.pl/wiadomosci/5g/t-mobile-siec-5g-w-polsce oraz https://twitter.com/sawilkus (Ericsson)

Wspomniany beamforming nie niweluje niestety wszystkich problemów związanych z przesyłem danych przez sieci 5G. Sieci mobilne, jak sama nazwa wskazuje, mają nieodzowny związek z przemieszczaniem się. Użytkownicy, korzystający aktualnie z wybranej sieci, przemieszczają się w niej również podczas przesyłania danych. Oznacza to, że stacja bazowa musi mieć możliwość formowania wiązki w zależności od tego, w którym kierunku przemieszcza się dany terminal. Tutaj natrafiamy na technikę zwaną beam tracking’iem. Ona również używana jest przez stacje przekaźnikowe 5G T-Mobile. Co ważne, eksperci z zakresu telekomunikacji już teraz szacują, iż beamforming w połączeniu z beam tracking’iem, pozwoli na uzyskanie zasięgu w pasmie częstotliwości 3500 MHz porównywalnego z tym, na poziomie nadajników LTE w pasmie 2100 MHz.

Massive MIMO i 3D Beamforming. Żródło: Nokia/Youtube, luty 2017

5G a EMC…

Aktualne wymagania EMC, w zakresie bezpieczeństwa, dotyczące już samego poziomu projektowania oraz użytkowania sieci 4G, są bardzo restrykcyjne. Każde z urządzeń będących częścią sieci nie może generować zakłóceń i promieniowania powyżej określonego poziomu. Wymagania dotyczące dozwolonego poziomu emisji zakłóceń określone są odgórnie przez CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques, czyli Specjalny Międzynarodowy Komitet do spraw Zakłóceń Radioelektrycznych), natomiast ogólne wymagania dotyczące emisji zakłóceń określają normy IEC 61000-6-3 (Norma emisji w środowiskach: mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym) oraz IEC 61000-6-4 (Norma emisji w środowiskach przemysłowych).
Wymagania dotyczące odporności na zakłócenia dzielą się na: oparte na środowisku elektromagnetycznym – klasyfikacja określona normą IEC 61000-2-5 oraz na ogólne wymagania dotyczące odporności – normy IEC 61000-6-1 (Środowiska mieszkalne, handlowe i lekko uprzemysłowione) oraz IEC 61000-6-2 (Środowiska przemysłowe).

Które ze standardów należy uznać za kluczowe dla wdrożenia technologii 5G? Standardy IEC? Normy CISPR dla technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT)? A może normy ETSI EMC dotyczące urządzeń radiowych i zalecenia ITU-T K-EMC? Wszystkie z nich, z odpowiednim odniesieniem do systemów 5G!

Produkty inne niż urządzenia radiowe 5G, wchodzące w skład sieci (emisje radioelektryczne objęte są zaleceniami ITU-R), powinny spełniać wymagania emisyjne z zakresu częstotliwości wykorzystywanych przez systemy 5G – w celu uniknięcia jakiegokolwiek zakłócenia pracy z sieciami nowej technologii komunikacji. Ponadto produkty, w tym urządzenia 5G, powinny spełniać wymagania, co do odporności w zakresie częstotliwości sieci 5G – aby możliwa była poprawna praca wszystkich modułów wchodzących w skład sieci 5G. Należy również bezwzględnie stosować wszystkie zdefiniowane wymagania EMC dotyczące sieci bezprzewodowych, opisanych wyżej wymienionymi normami.

Stąd widzimy, że normy EMC pod względem 5G muszą spełniać nie tylko urządzenia stanowiące elementy zespołu nowej technologii telekomunikacji mobilnej, ale również wszystkie elementy starszych generacji, współpracujące bezpośrednio z modułami nowej technologii. Jest to niezwykle ważne pod względem prawidłowej pracy i bezpieczeństwa, zarówno użytkowników sieci, jak i całego otoczenia, narażonego bezpośrednio na jej działanie.

Szacuje się, iż już w 2022 roku rynek aparatury pomiarowej i testowej w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej wzrośnie do ponad 600 mln dolarów, co daje około ośmioprocentowy wzrost sprzedaży na przestrzeni kilku lat. Spowodowane jest to znaczącym wzrostem produkcji smartfonów oraz innych urządzeń mobilnych, dostosowywanych do szybko rozwijającego się rynku telekomunikacyjnego.

Aktualnie obowiązujące normy EMC nie zapewniają jeszcze płynnego wdrożenia systemów telekomunikacji 5G i należy je zmodyfikować pod względem ochrony zarówno użytkowników, jak i środowiska. Ponadto zmianie powinny ulec również ogólne standardy emisji i odporności, wpływ zakłóceń (docelowo ich całkowite wyeliminowanie) na moduły oraz inne elementy systemów sieci 5G oraz standardy produktów wchodzących w skład tych systemów pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej. Wszystkie zmiany wymagań zalecanych w ITU-T oraz K-EMC dla sieci 5G wprowadzane są na bieżąco, w momencie ukazania się nowych specyfikacji dotyczących technologii piątej generacji oraz w wyniku postępu prac wykonywanych przez inne organizacje normalizacyjne.

Kilka zdań podsumowania…

Według raportu, jaki firma Ericsson opublikowała w momencie znacznego postępu prac nad najnowszą technologią komunikacyjną, już w 2022 roku liczba subskrypcji 5G będzie wynosić ponad 550 milionów. Według zapowiedzi Ameryka Północna będzie liderem w przechodzeniu na sieci nowej generacji. Już za trzy lata 25 procent wszystkich subskrypcji będą stanowić tam subskrypcje 5G. Drugim, co do najszybciej rozwijających się regionów na świecie, będzie Azja i Rejon Pacyfiku, gdzie w 2022 roku 10 procent wszystkich subskrypcji stanowić będzie 5G. Ruch we wszystkich sieciach piątej generacji zdominuje zdecydowanie streaming wideo i na przestrzeni kolejnych kilku lat powinien wynieść prawie 75 procent całego ruchu w sieci. Nie są to prognozy nierealne, gdyż w coraz większym stopniu użytkownicy wykorzystują aplikacje umożliwiające relacje na żywo, do komunikowania się ze znajomymi bądź fanami.

Kluczowy jednak stanie się tutaj wpływ technologii 5G na rozwój Internet of Things (IoT). Zarówno raport Ericssona, jak i innych producentów modułów wskazuje, iż do roku 2022 na całym świecie do sieci internetowej podłączonych będzie ponad 29 miliardów urządzeń, z czego aż blisko 18 miliardów to urządzenia IoT. To w tym sektorze, za sprawą sieci piątej generacji ma nastąpić największy boom technologiczny.

Sam wzrost prędkości przesyłu danych i przepustowości sieci to bez wątpienia wielki krok w przyszłość. 5G przybliży nam zupełnie nowy świat, w którym wszystko, co znajduje się w naszym bezpośrednim otoczeniu jest inteligentne. Dla jednych ta wizja to coś przerażającego. Patrząc jednak w jeszcze niedaleką przeszłość, dla wielu z nas przerażające były już pomagające nam w funkcjonowaniu, ale i śledzące nasze kroki i poczynania algorytmy Google i Facebooka. Wielu z użytkowników przyzna jednak, że są one często niezwykle pomocne, dzięki czemu chętniej korzystają z usług profilowanych. Świat się wtedy nie skończył, wszedł w zupełnie nowy etap rozwoju. Podobnie będzie i z 5G.

Źródło: https://www.odkazprestarostu.sk/nove-zamky/podnety/60909/ezamky-aplikacia-pre-chytre-telefony