1. Wizja 5G i profile usług
Kolejne generacje technologii mobilnych rozszerzały zakres usług. 1G zapewniło głos analogowy, 2G wprowadziło transmisję cyfrową i wiadomości tekstowe, a 3G obsługę wczesnego mobilnego internetu. 4G LTE zwiększyło szybkość i niezawodność dostępu, co wsparło rozwój smartfonów, aplikacji, mediów społecznościowych i streamingu wideo. 5G nie jest więc wyłącznie "szybszym 4G", ponieważ obejmuje także profile usług o innych wymaganiach.
5G, czyli piąta generacja technologii bezprzewodowej, zaprojektowano jako platformę dla telefonów, urządzeń i usług o różnych wymaganiach. Jej wizja wykracza poza przyspieszenie transmisji w smartfonie. Podczas gdy poprzednie generacje koncentrowały się głównie na łączeniu ludzi, 5G zaprojektowano do łączenia ludzi, urządzeń i usług o różnych wymaganiach ruchowych i wydajnościowych. Jest to wspólna platforma przeznaczona do obsługi skalowalności, niezawodności i elastyczności.
, globalny organ normalizacyjny, opisał tę wizję w wymaganiach IMT-2020. Obejmuje ona zarówno wzrost prędkości, jak i sieć zdolną do obsługi trzech wyraźnie różnych oraz często konkurujących scenariuszy komunikacji. Wartości IMT-2020 służą do oceny i badań, a ich znaczenie zależy od profilu usługi. Zakres tematyczny obejmuje masowy Internet Rzeczy, inteligentne miasta, pojazdy autonomiczne, zastosowania immersyjne i fundamenty metawersum jako przykłady wizji usług.
2. Scenariusze zastosowań IMT-2020
Cała koncepcja 5G może być zrozumiana poprzez jej trzy główne przypadki użycia, często wizualizowane jako wierzchołki trójkąta. Każdy scenariusz ma własne priorytety, dlatego 5G zostało zaprojektowane tak, aby dostarczać usługi zoptymalizowane dla odrębnych wymagań eMBB, mMTC i URLLC.
eMBB (Enhanced Mobile Broadband)
To filar najbardziej widoczny dla użytkowników. eMBB rozwija doświadczenie mobilnego internetu szerokopasmowego z 4G, zwiększając szybkość transferu, pojemność i zasięg.
Kluczowe Cechy i Zastosowania:
- Prędkości Multi-Gigabitowe: eMBB ma na celu osiągnięcie szczytowych prędkości pobierania mierzonych w gigabitach na sekundę (Gbps). Wartości szczytowe IMT-2020 ocenia się w warunkach idealnych i nie oznaczają one szybkości dostępnej dla każdego użytkownika. W sprzyjających warunkach taki transfer może skrócić pobieranie pełnometrażowego filmu 4K do kilku sekund.
- Pojemność w Gęstym Ruchu: Technologia ta została zaprojektowana do obsługi dużej ilości ruchu danych w gęsto zaludnionych obszarach, takich jak stadiony, lotniska i centra miast, a przy odpowiednim planowaniu zasobów może obsługiwać wielu użytkowników jednocześnie.
- Wciągające Doświadczenia: Wysoka przepustowość i kontrolowane opóźnienia eMBB mogą wspierać aplikacje takie jak wysokiej jakości Rzeczywistość Wirtualna (VR), Rzeczywistość Rozszerzona (AR) i gry w chmurze, w których znaczenie ma stabilna interakcja oraz ograniczone opóźnienie.
- Stacjonarny Dostęp Bezprzewodowy (FWA): 5G eMBB jest również rozwiązaniem do dostarczania szybkiego internetu domowego i biznesowego bezprzewodowo, stanowiąc alternatywę dla światłowodu i kabla w wielu obszarach.
mMTC (Massive Machine-Type Communications)
Ten filar odpowiada na inną potrzebę, a konkretnie na podłączenie dużej liczby niskomocowych, tanich urządzeń. Jest to podstawa . Urządzenia te to nie smartfony. To czujniki, liczniki i siłowniki, które mogą potrzebować wysyłać tylko niewielką ilość danych okresowo.
Kluczowe Cechy i Zastosowania:
- Gęstość Połączeń: mMTC ma wspierać docelowo do miliona połączeń na kilometr kwadratowy w określonych scenariuszach. Umożliwia to planowanie rozległych sieci czujników w inteligentnych miastach lub na polach uprawnych, przy czym rzeczywista gęstość zależy od wdrożenia i zasobów radiowych.
- Bardzo Niskie Zużycie Energii: Głównym celem projektowym dla mMTC jest żywotność baterii. W odpowiednio skonfigurowanych urządzeniach praca przez dekadę lub dłużej może być celem projektowym, wspieranym przez głębokie tryby uśpienia i rzadkie, wydajne transmisje danych. Wynik zależy od zasięgu, konfiguracji oraz profilu ruchu.
- Niski Koszt Urządzeń: Aby mMTC było opłacalne, moduły komunikacyjne w urządzeniach powinny mieć niski koszt, co ułatwia wdrażanie bardzo dużych populacji czujników.
- Głęboki Zasięg: Technologia jest zoptymalizowana do docierania do urządzeń w trudnych lokalizacjach, takich jak głębokie wnętrza budynków, podziemne liczniki mediów czy odległe obszary wiejskie.
- Zastosowania: Inteligentne liczniki mediów, czujniki środowiskowe, śledzenie aktywów, inteligentne rolnictwo, infrastruktura inteligentnych miast, taka jak czujniki parkowania i inteligentne oświetlenie.
URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications)
URLLC koncentruje się na krótkim opóźnieniu i wysokiej niezawodności. Ten filar służy zastosowaniom krytycznym, w których chwilowe opóźnienie lub przerwanie połączenia może mieć poważne konsekwencje. Wymaga odpowiedniego profilu radiowego, transportowego i aplikacyjnego.
Kluczowe Cechy i Zastosowania:
- Bardzo Niskie Opóźnienie: Opóźnienie radiowe opisuje czas transmisji przez interfejs powietrzny. W wybranych konfiguracjach URLLC celem ewaluacji jest wartość rzędu milisekundy () dla tego odcinka, przy nieobciążonym systemie i małych pakietach. Opóźnienie całej aplikacji obejmuje także urządzenie, sieć transportową i przetwarzanie, dlatego wymaga osobnego budżetu opóźnień.
- Bardzo Wysoka Niezawodność: Dla określonych warunków i profili usług standardy opisują cele na poziomie "pięciu dziewiątek" () dla prawdopodobieństwa poprawnej transmisji. Wzorcowa ewaluacja dotyczy małego pakietu warstwy drugiej na skraju zasięgu. Spełnienie celu zależy od konfiguracji radiowej, obciążenia i środowiska.
- Zastosowania:
- Autonomiczne Pojazdy: Samochody komunikujące się ze sobą i z infrastrukturą drogową (V2X) w celu unikania kolizji są przykładem aplikacji, która może wymagać bardzo niezawodnej komunikacji o niskim opóźnieniu.
- Automatyka Przemysłowa: Bezprzewodowe sterowanie precyzyjnymi robotami na hali produkcyjnej lub koordynacja zautomatyzowanych pojazdów w magazynie.
- Zdalna Chirurgia i Telemedycyna: Chirurg sterujący ramieniem robota z setek kilometrów potrzebowałby bardzo niezawodnej ścieżki o niskim opóźnieniu oraz zabezpieczeń i nadmiarowości właściwych dla aplikacji.
- Inteligentne Sieci Energetyczne: Sterowanie i monitorowanie sieci elektrycznej w czasie rzeczywistym w celu zapobiegania awariom i poprawy wydajności.
3. Technologie umożliwiające 5G
Realizacja celów trójkąta zastosowań 5G wymagała integracji kilku technologii radiowych i rdzeniowych.
- 5G New Radio (NR): 5G wprowadza nowy standard interfejsu radiowego o nazwie NR. Jest on zaprojektowany jako bardziej elastyczny i skalowalny niż LTE. Wykorzystuje elastyczną numerologię z różnymi odstępami między podnośnymi i czasami trwania symboli, co pozwala konfigurować transmisję eMBB oraz przypadki URLLC wymagające krótszych symboli i mniejszego opóźnienia radiowego.
- Nowe Pasma Widma (Fale Milimetrowe): Kluczowym czynnikiem umożliwiającym wzrost prędkości w eMBB jest wykorzystanie szerokich pasm wysokoczęstotliwościowych, w tym zakresów określanych jako (np. 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz). Formalne zakresy 5G FR2 zależą od wersji specyfikacji i obejmują przydziały od 24,25 GHz wzwyż. Dostępność widma jest regulowana regionalnie, a sygnały mają krótki zasięg i słabiej przenikają przez stałe obiekty.
- Massive MIMO i Kształtowanie Wiązki: Aby poprawić zasięg oraz pojemność w różnych pasmach, 5G wykorzystuje Massive MIMO. Stacje bazowe mogą używać macierzy z dużą liczbą anten, na przykład 64 lub 128 elementów, zależnie od pasma i urządzenia. Te macierze współpracują z technologią , aby sterować energią radiową w kierunku urządzenia. Zyski zależą od informacji o kanale, korelacji anten i zakłóceń, więc wiązki nie są idealnie odizolowane.
- Nowa Sieć Rdzeniowa (5G Core): Razem z nowym radiem 5G definiuje nową sieć rdzeniową. Nowy Rdzeń 5G jest zaprojektowany w oparciu o Architekturę Opartą na Usługach (SBA), gdzie funkcje sieciowe komunikują się za pośrednictwem standardowych interfejsów API i mogą być wdrażane jako funkcje programowe. Taka konstrukcja wspiera programowalne polityki i skalowanie zależne od implementacji operatora.
- Plastrowanie Sieci (Network Slicing): Jest to funkcja wspierana przez nowy Rdzeń 5G. Plastrowanie sieci pozwala operatorowi logicznie podzielić wspólną infrastrukturę na wiele sieci wirtualnych od końca do końca, z politykami i zasobami dobranymi do usług. Na przykład operator może utworzyć plaster dla mobilnego internetu szerokopasmowego o wysokich prędkościach, drugi dla masowego IoT o niskiej mocy i dużej gęstości, a trzeci dla firmy motoryzacyjnej wymagającej bardzo niskich opóźnień i wysokiej niezawodności, przy współdzieleniu części infrastruktury fizycznej.
4. Fazy Wdrożenia: 5G Niesamodzielne (NSA) vs. Samodzielne (SA)
Przejście z 4G na pełną sieć 5G to skomplikowane i kosztowne przedsięwzięcie. Standardy przewidują dwa główne tryby wdrożenia, które pozwalają prowadzić tę zmianę etapami.
5G Niesamodzielne (NSA)
To była początkowa strategia wdrożeniowa dla większości operatorów na świecie. W trybie NSA nowe radio 5G NR jest dodawane do istniejącej infrastruktury 4G.
- Kotwica w 4G: Urządzenie ustanawia swoje połączenie i obsługuje całą sygnalizację płaszczyzny sterowania przez istniejące radio 4G LTE i .
- 5G jako dodatkowa ścieżka danych: Nośna radiowa 5G jest używana jako dodatkowa, szybka ścieżka danych, agregowana z nośną 4G.
- Zaleta: NSA pozwala operatorom szybko zaoferować prędkości 5G (eMBB), wykorzystując istniejącą sieć rdzeniową 4G, co zmniejsza początkowe koszty inwestycyjne.
- Zakres: Rdzeń 4G EPC pozwala szybko uruchomić usługi eMBB, natomiast pełne mechanizmy 5G, takie jak zaawansowane URLLC i plastrowanie sterowane przez 5GC, wiążą się z wdrożeniem rdzenia 5G oraz trybu SA.
5G Samodzielne (SA)
Tryb SA tworzy wariant wdrożenia z pełnym łańcuchem 5G.
- Kompleksowe 5G: Urządzenie łączy się bezpośrednio z radiem 5G NR, a cała sygnalizacja i dane są zarządzane przez nową sieć rdzeniową 5G (5GC). Nie ma zależności od starszej sieci 4G.
- Zakres Funkcji SA: Tryb SA z rdzeniem 5GC zapewnia architekturę potrzebną do zaawansowanego plastrowania sieci, bardzo niskich opóźnień dla URLLC i masowej skalowalności dla mMTC. Operator dobiera te funkcje do konkretnego profilu usługi.
- Migracja: Operatorzy mogą przechodzić z wdrożeń NSA do SA wraz z rozbudową rdzenia 5G i zapotrzebowaniem na związane z nim funkcje usługowe.