5G – ultraszybka infostrada szerokopasmowa

Jan T. Grusznic

Dzisiaj trudno sobie wyobrazić miasta, które mogą się rozwijać bez odpowiedniej infrastruktury, w tym również telekomunikacyjnej, zapewniającej pewną i szybką wymianę informacji. Usługi smart cities bazują przeważnie na informacjach przestrzennych przetwarzanych w czasie rzeczywistym i dotyczą wielu sfer życia mieszkańców miasta.

Znaczna część usług opartych na wymianie danych mieści się w takich obszarach, jak inteligentne zarządzanie ruchem (komunikacja miejska i ruch drogowy, reagowanie w czasie rzeczywistym na codzienne wydarzenia, np. zatory komunikacyjne), optymalizacja oraz śledzenie zużycia i przesyłania energii, monitoring zanieczyszczenia powietrza i jakości wody, gospodarka odpadami, zarządzanie infrastrukturą w miastach, telemedycyna, bezpieczeństwo.

Choć miasto kojarzy nam się z infrastrukturą kablową zapewniającą dostęp do Internetu, to jednak ponad 90%¹ z nas korzysta również z Internetu mobilnego dostępnego w telefonie. Także miliony urządzeń równolegle korzystają z bezprzewodowego dostępu do sieci. Aż trudno w to uwierzyć, ale w 2018 r. operatorzy w Polsce zarządzali ponad 51 milionami aktywnych kart SIM!² Już wtedy wieszczono, że dalszy wzrost aktywnych urządzeń wykorzystujących mobilny dostęp do Internetu spowoduje, że sieć LTE (4G) się zatka³.

Transmisja danych w sieciach mobilnych jest od kilku lat najbardziej dynamicznie rozwijającą się usługą. Poprzez urządzenia mobilne dwa lata temu przesłano łącznie 3098 PB (3 098 106 GB) danych. W ujęciu statystycznym na jednego Polaka w 2018 r. przypadło średnio 84,6 GB⁴. Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy prognozuje, że średni miesięczny popyt na dane (wysyłanie i odbiór danych) w urządzeniach mobilnych w Polsce wzrośnie do 2025 r. prawie 25-krotnie⁵. To wyzwanie dla sieci bezprzewodowych, które pomimo istniejącej infrastruktury kablowej są najchętniej wybierane przez użytkowników Internetu.

Te wyniki stają się jeszcze ciekawsze, gdy zestawi się je z prędkością transferów sieci LTE, a te sytuują Polskę na końcu krajów europejskich⁶. Powodem tego stanu rzeczy były przyjęte bardzo niskie limity poziomów pól elektromagnetycznych (100 razy mniejsze natężenie pola el-mag niż w innych krajach) jeszcze z czasów istnienia Związku Radzieckiego, oparte na założeniach sprzed okresu dostępności telefonu komórkowego, kiedy dysponowano znacznie mniejszą niż obecnie wiedzą nt. pól elektromagnetycznych⁷. Ograniczenia gęstości mocy na poziomie 0,1 W/m² (7 V/m) negatywnie wpłynęły na efektywność i elastyczność budowy Stacji Bazowych Telefonii Komórkowej (SBTK), współdzielenie lokalizacji dedykowanych dla instalacji antenowych oraz na gospodarowanie (na podstawie pozwoleń) zasobami częstotliwości wykorzystywanych w sieciach komórkowych 4G. Przełożyło się to na szybkość Internetu 4G, która w Polsce nadal jest najmniejsza w całej Europie (ok. 30 Mb/s – pobieranie, 8 Mb/s – wysyłanie, w porównaniu np. z 42/15 Mb/s w Czechach, nie wspominając o wynikach w Holandii 76/16⁸), pomimo że nakłady inwestycyjne polskich operatorów na rozwój infrastruktury kształtowały się na poziomie średniej europejskiej⁹.

Dlatego też w grudniu ub.r. ministrowie zdrowia i cyfryzacji podpisali rozporządzenie wprowadzające wyższe limity poziomów pól elektromagnetycznych w Polsce¹⁰, harmonizujące wymagania środowiskowe w Polsce (tzw. normy PEM) z obowiązującymi limitami w UE zgodnie z zaleceniem 1999/519/WE. W praktyce oznacza to, że wcześniejszy limit gęstości mocy 0,1 W/m² został zwiększony do 10 W/m2 (61V/m w zakresie częstotliwości od 2 do 300 GHz). Ten zabieg pozwoli operatorom uruchomić zarówno sieć 5G, jak i nowe pasma LTE bez zmniejszania mocy obecnych nadajników 4G. I dzięki temu Internet mobilny w Polsce będzie szybszy.

Czym jest 5G?

5G to skrót od „Piąta Generacja” bezprzewodowej technologii i jest kolejną, po 4G (LTE), ewolucją technologii komórkowej ustandaryzowaną przez 3rd Generation Partnership Project (3GPP) – międzynarodową organizację normalizacyjną mającą na celu rozwój systemów telefonii komórkowej. 5G zapewnia skokowo większą szybkość, poprawia wydajność i przepustowość sieci, a operatorom umożliwia rozwiązanie problemu gwałtownego wzrostu liczby połączeń z urządzeń mobilnych i IoT.

Mniej więcej co dziesięć lat technologia mobilna nowej generacji przynosi przełomową poprawę wydajności oraz wprowadza nowe aplikacje i możliwości zastosowań. W latach 80. XX wieku analogowa telefonia komórkowa umożliwiała rozmowy telefoniczne. W latach 90. sieć 2G (GSM) wprowadziła digitalizację połączeń i wysyłanie wiadomości tekstowych SMS. Na przełomie XX i XXI wieku technologia 3G (UMTS) wprowadziła mobilny Internet, strumieniowe przesyłanie muzyki i wiadomości obrazkowych. A w 2010 r. 4G LTE zapewniło wystarczającą pojemność, aby umożliwić prawdziwie multimedialne wrażenia, w tym strumieniowe przesyłanie wideo HD.

Sieć 5G jest czasami określana jako 5G NR, co oznacza Nowe Radio (ze względu na użytą technologię dostępu radiowego), które będzie wykorzystywać dwa zakresy częstotliwości: zakres częstotliwości 1 (FR1), w tym zakresy poniżej 6 GHz, oraz zakres częstotliwości 2 (FR2), w tym zakresy częstotliwości w zakresie fal milimetrowych (24…100 GHz)¹¹. Więcej częstotliwości oznacza większą pojemność, większą liczbę obsługiwanych użytkowników oraz większe prędkości transferu danych.

W Polsce sieć 5G ma korzystać z pasma 700 MHz, obecnie wykorzystywanego przez cyfrową telewizję naziemną¹², w zakresie częstotliwości 3,4…3,8 GHz, który zapewni większy zasięg niż obecnie ma sieć 4G LTE (od dekady jest używany powszechnie w urządzeniach szerokopasmowego radiowego przesyłu danych typu Wimax¹³), a nawet 26 GHz – najwyższą częstotliwość, jaką do tej pory zastosowano w sieciach komórkowych, zapewniającą prędkości osiągane przez światłowód¹⁴.

Docelowo wiele stacji bazowych, stanowiących element architektury 5G, będzie miało mniejszą moc niż stacje stosowane dzisiaj, a sieć, aby sprawnie działać, będzie potrzebowała ich o wiele więcej. Szacuje się, że docelowe pełne wdrożenie sieci 5G pracującej na falach o częstotliwości 26 GHz będzie potrzebować nawet do 100 razy więcej nadajników¹⁵. Jednak w pierwszej fazie budowy sieci 5G zostaną wykorzystane obecne częstotliwości 3400…3800 MHz oraz tzw. pasmo 700 MHz (nastąpi migracja z 3G, 4G LTE do 5G), co jeszcze nie przełoży się na znacząco większą liczbę nadajników.

Spełnienie wysokich wymagań stawianych przed 5G, w szczególności w zakresie przepływności transmisji danych (down-link 20 Gb/s, up-link 10 Gb/s)¹⁶, czy małych opóźnień (ok. 4 ms¹⁷), wymusza połączenie SBTK nowej generacji za pomocą światłowodów. To diametralna różnica wobec sieci 2G – 4G, gdyż w ich topologii dominowały miedziane łącza o przepływności E1, a następnie radiolinie czy połączenia ATM, Metro Ethernet i MPLS/IP. Ponadto wdrożenie tzw. gęstych sieci rozumianych jako zastosowanie wielu stacji bazowych o krótkich zasięgach znacznie zwiększy efektywność widmową, a zatem przepływność oferowaną klientowi. W sieci 5G odchodzi się od sieci stacji bazowych dużych rozmiarów na rzecz sieci składających się z dużej liczby małych nadajników¹⁸.

Zmieni się również system antenowy. W tradycyjnym moc jest wypromieniowywana w szerokim zakresie wg ustalonej charakterystyki przestrzennej. Obszar, w którym mogą znajdować się użytkownicy, jest z góry zdefiniowany. W antenie aktywnej sieci 5G z Massive MIMO moc jest promieniowana w określonych kierunkach, skupionych na indywidualnych użytkownikach lub ich grupach, rzadko zlokalizowanych w obszarze usług. Kierunki promieniowania mocy mogą zmieniać się niemal automatycznie, by skupić się na ruchomych użytkownikach lub obiektach i ograniczyć zakłócenia dla innych¹⁹.

Anteny Massive MIMO stanowią kluczowy element architektury sieci piątej generacji. Ich działanie można sprowadzić do zasady, zgodnie z którą sieć umożliwia transmisję i odbiór więcej niż jednego sygnału jednocześnie. Standardowe anteny MIMO zakładają użycie dwóch lub czterech anten, Massive MIMO natomiast przewiduje istnienie kilkudziesięciu (niektóre firmy zaprezentowały systemy Massive MIMO z ponad 100 antenami), które są jednak o wiele mniejsze od standardowych. W im więcej anten wyposażono nadajnik i odbiornik, tym oferują one więcej możliwych ścieżek sygnału i lepszą wydajność pod względem zarówno szybkości transmisji, jak i niezawodności łącza. Co więcej, zastosowanie większej liczby anten spowoduje również większą odporność na celowe zakłócenia w sieci.

Anteny Massive MIMO będą wykorzystywały technologię inteligentnego kształtowania wiązki radiowej, która umożliwi ukierunkowanie widma (tzw. beamforming) w stronę określonego odbiornika. Sygnał będzie przetwarzany w taki sposób, aby trafić do użytkownika w formie ukierunkowanego sygnału. Do każdego użytkownika lub grupy użytkowników znajdujących się na danym azymucie będzie docierała osobna, dedykowana dla niego wiązka sygnału, co zapewni wysoką stabilność połączenia²⁰.

Sieć radiową 5G cechują bardzo niskie opóźnienia, ale mimo to całkowite opóźnienia w komunikacji, z wykorzystaniem tradycyjnych serwerów, nadal mogą być nieakceptowalne w takich aplikacjach, jak pojazdy autonomiczne. Wynika to z faktu, że przetwarzanie informacji najczęściej odbywa się daleko od użytkownika, w dedykowanych serwerowniach.

By sieć 5G mogła obsłużyć takie przypadki, przetwarzanie danych musi być zlokalizowane jak najbliżej miejsca ich zbierania, co zminimalizuje opóźnienia związane z transmisją danych przez sieć. Właśnie w tym celu została opracowana przez ETSI (Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych) koncepcja Multi-Access Edge Computing, zwana poprzednio Mobile Edge Computing (MEC). MEC to koncepcja architektury sieci 5G, która umożliwia przetwarzanie w chmurze na obrzeżach sieci radiowej. Podstawową ideą stojącą za MEC jest skrócenie odległości komunikacji – uruchamianie aplikacji i wykonywanie związanych z nimi obliczeń bliżej użytkownika sieci komórkowej. MEC zmniejsza też obciążenie sieci szkieletowej i dzięki temu aplikacje osiągają lepsze wyniki. Technologia MEC ma być wdrażana w SBTK lub innych węzłach brzegowych, umożliwiając elastyczne i szybkie stosowanie nowych aplikacji i usług dla użytkowników. MEC, w porównaniu z chmurą obliczeniową, charakteryzuje bliskość i lokalność obliczeń, niższe opóźnienia oraz znajomość kontekstu sieciowego i lokalizacji²¹.

Jakie zastosowania ma 5G?

Potencjalne zastosowania sieci 5G wynikają przede wszystkim z możliwości obsługi bardzo dużej liczby urządzeń o niskim poborze mocy oraz wprowadzenia tzw. ultraniezawodnej transmisji o małych opóźnieniach. Te dwie cechy 5G otwierają drzwi do nowych zastosowań sieci komórkowej oraz znaczącego rozwoju zastosowań istniejących. Sieć 5G ma zapewnić kolejny krok w całkowitej transformacji przemysłu, technologia 5G zrewolucjonizuje obszar ochrony zdrowia i usług medycznych, zwłaszcza telemedycyny.

Potencjalne możliwości jej wpływu na ochronę środowiska w znacznej mierze wynikają bezpośrednio z rozwoju usług IoT i smart cities, bazujących na wszelkiego rodzaju bezprzewodowych sensorach. W najszerszym ujęciu sieć 5G może mieć korzystny wpływ na czyściejszą, bardziej ekologiczną i przyjazną środowisku przyszłość, zwiększając wydajność wielu procesów. Przykładami konkretnych zastosowań, które będą rozwijane wraz z 5G i sprawniejszym działaniem czujników IoT, są np.: monitorowanie drgań i warunków materiałowych w budynkach, mostach czy zabytkach; monitorowanie natężenia hałasu w miastach oraz na ich obrzeżach w czasie rzeczywistym; monitorowanie lasów i terenów chronionych pod kątem pożarów; monitorowanie stanu powietrza, emitowanych zanieczyszczeń, stanu wód, poziomu opadów.

W obszarze bezpieczeństwa nowe rozwiązania obejmą zdalne systemy dozoru wizyjnego przesyłające strumienie wideo wysokiej rozdzielczości (8K i więcej) w czasie rzeczywistym. Monitoring wizyjny może objąć miejsca publiczne lub krytyczną infrastrukturę. Stanie się możliwe połączenie istniejących kamer np. z systemami rozpoznawania twarzy pozwalającymi na sprawną identyfikację osób zaginionych lub podejrzanych o popełnienie przestępstwa. Ten sam cel będzie miał system automatycznej detekcji zagrożeń, wykrywający podejrzane obiekty, anomalia lub zakłócenia w miejscach publicznych, a także zdarzenia atmosferyczne zagrażające obywatelom.

Czy 5G jest bezpieczne?

Pojawiło się wiele hipotez pseudonaukowych związanych z wprowadzanymi zmianami i sieciami 5G. Przykładem jest choćby podniesienie limitów natężenia pól elektromagnetycznych, co spowodowało naturalne obawy, czy taki zabieg jest bezpieczny dla zdrowia. Paradoksalnie zwiększenie limitu obniży ekspozycję ludzi na promieniowanie, gdyż to nasze telefony, a nie nadajniki są głównym źródłem promieniowania – im słabszy jest zasięg, tym wyższe promieniowanie emitowane przez telefon. Złagodzenie norm pozytywnie wpłynie na zasięg, ograniczając promieniowanie przez urządzenia mobilne²³.

Jan T. Grusznic Z-ca red. naczelnego „a&s Polska”. Z branżą wizyjnych systemów zabezpieczeń związany od 2004 r. Ma bogate doświadczenie w zakresie projektowania i wdrażania rozwiązań dozoru wizyjnego w aplikacjach o rozproszonej strukturze i skomplikowanej dystrybucji sygnałów. Ceniony diagnosta zintegrowanych systemów wspomagających bezpieczeństwo.

1) https://www.telepolis.pl/wiadomosci/prawo-finanse-statystyki/uke-internet-stacjonarny-cena-telewizja-telefon-raport
2) „Raport o stanie rynku telekomunikacyjnego w Polsce w 2018 r.” UKE, czerwiec 2019, Warszawa
3) „Czy Polsce grozi blackout mobilnego internetu?” Polska Izba Informatyki i Telekomunikacji, Warszawa 8.03.2019
4) „Raport o stanie rynku telekomunikacyjnego w Polsce w 2018 r.” UKE, czerwiec 2019, Warszawa
5) „Czy Polsce grozi blackout mobilnego internetu?” Polska Izba Informatyki i Telekomunikacji, Warszawa 8.03.2019
6) Speedtest Global Index, kwiecień 2020
7) „Oddziaływanie elektromagnetycznych fal milimetrowych na zdrowie pracowników projektowanych sieci 5G i populacji generalnej” Narodowy Program Zdrowia, pod redakcją prof. dr. hab. med. Konrada Rydzyńskiego, Łódź 2019
8) Speedtest Global Index, kwiecień 2020
9) „Wpływ limitów gęstości mocy (PDL – Power Density Limits) na łączność bezprzewodową: czy Polsce grożą opóźnienia w rozwoju 5G?” M. Godlewski, M. Steiger, R. Schicht, H. T. Bernold, BCG, lipiec 2018
10) Rozporządzenie Ministra Zdrowia z 17 grudnia 2019 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku, Dz.U. 2019 poz. 2448
11) http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_FR_Bandwidth.html (2020-06-02)
12) Zapewnia dobrą wydajność sieci wewnątrz budynków i dobry zasięg. Ponieważ fale na tych częstotliwościach rozchodzą się równomiernie i z powodzeniem pokonują przeszkody architektoniczne, są w stanie pokryć terytorium całego kraju.
13) Wydajność wewnątrz budynków może być nieco niższa niż w przypadku poprzedniej generacji technologii.
14) Problemem jest jednak ograniczenie zasięgu przez tłumienie powodowane choćby liśćmi drzew i krzewów, nie wspominając o takich przeszkodach, jak ściany budynków czy ukształtowanie terenu. Szacowane zasięgi w ramach tego pasma wynoszą od 50 do 500 m w przestrzeniach otwartych, natomiast w obszarach zabudowanych nie przekraczają 200 m.
15) „Stacje Bazowe”, Ministerstwo Cyfryzacji, https://www.gov.pl/web/5g/stacje-bazowe (2020-06-03)
16) Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radiointerface(s)”, ITU-R M.2410-0, listopad 2017
17) Tamże
18) „Krótka opowieść o społeczeństwie 5.0. Czyli jak żyć i funkcjonować w dobie gospodarki 4.0 i sieci 5G. Załącznik 2, Uwarunkowania techniczne rozwoju sieci 5G”. Krajowa Izba Gospodarcza Elektroniki i Telekomunikacji, Fundacja Digital Poland
19) Tamże
20) 5G: Sieci Telekomunikacyjne Nowej Generacji, Ministerstwo Cyfryzacji [online:] https://www.gov.pl/web/5g/inteligentne-nadajniki (2020-05-28)
21) „5G. Szanse, zagrożenia, wyzwania” F. Felici, A.G. Rodriguez, P. Mieczkowski, K. Mikulski, T. Piekarz, B. Sztokfisz, redakcja R. Siudak, Instytut Kościuszki, Kraków 2020
22) https://datamakespossible.westerndigital.com/5g-vs-4g-side-by-side-comparison/
23) „Pole elektromagnetyczne a człowiek. O fizyce, biologii, medycynie, normach i sieci 5G”, Ministerstwo Cyfryzacji, Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa 2019