5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Rozwój sieci radiowych dedykowanych do transmisji szerokopasmowej zazwyczaj kojarzy się ze zwiększeniem ich przepustowości (rozumianej jako oferowane szybkości transmisji) i pojemności (rozumianej jako liczba połączeń, która może zostać obsłużona na założonym poziomie jakości usług). Natomiast jeżeli myślimy o zastosowaniu sieci faktycznie do łączności natychmiastowej w czasie rzeczywistym (np. w pojazdach autonomicznych), wówczas szczególnie istotnym, wręcz krytycznym, założeniem staje się zminimalizowanie opóźnień w przesyłaniu informacji do poziomu rzędu tysięcznych części sekundy. 

Realizacja oczekiwań bierze swój początek już na etapie założeń projektowych sieci 5G. W tym celu zakłada się prowadzenie odpowiednio zaplanowanego gospodarowania zasobami częstotliwości polegającego m.in. na zmianie przeznaczenia wybranych zakresów częstotliwości (pasma 700 MHz oraz 3,6 GHz), czy też na alokowaniu wyższych zakresów częstotliwości (pasmo 26 GHz, fale milimetrowe). Sięga się również po powszechnie już stosowane, zwiększające wydajność, przetwarzanie "w chmurze" oraz po zaawansowane rozwiązania umożliwiające integrację różnych systemów radiokomunikacyjnych. W wyniku prowadzonych prac badawczo-rozwojowych zmiany docierają także do tych obszarów, w których tylko z pozoru nie ma zbyt dużej szansy na wprowadzanie innowacji. Dobrym przykładem może być tu technika antenowa, która w przeciągu ostatnich kilkudziesięciu lat oczywiście ciągle się rozwijała, ale nie przeszła aż tak spektakularnych zmian, jak np. układy i obwody elektroniczne.

Wydawać by się mogło bowiem, że cóż takiego można unowocześnić w konstrukcji anteny? Otóż okazuje się, że tak na prawdę możliwości dokonania zmian jest wiele, a nawet bardzo wiele. Przy czym zmiany te mogą być tak istotne, że w ogóle przestajemy mieć do czynienia z anteną w ujęciu tradycyjnym, jako pojedynczym elementem nadawczym lub odbiorczym, działającym w systemie typu SISO (ang. Single Input, Single Output), por. Rys. 1. Na dodatek rozwój techniki antenowej wprowadza nowoczesne rozwiązania, które sprzyjają budowie nowoczesnych sieci radiowych, np. 5G.

Rys. 1. Prosty system antenowy typu SISO

Od dawna już stosowane rozwiązania konstrukcyjne anten sektorowych stacji bazowych telefonii komórkowej w niczym nie przypominają anten jednoelementowych, takich jak np.: wykorzystywane w popularnych radiotelefonach. Jest to wprost związane z koniecznością precyzyjnego uformowania dość skomplikowanej przestrzennej charakterystyki promieniowania anteny, o określonych szerokościach wiązki w płaszczyźnie poziomowej (horyzontalnej) i pionowej (azymutalnej) i odpowiednich listkach bocznych i wstecznych. W związku z tym konstrukcja anteny musi być bardziej złożona – wewnątrz obudowy anteny sektorowej znajdują się specjalnie zaprojektowane elementy odpowiedzialne za pożądane ukształtowanie wspomnianej charakterystyki. Taka antena, dołączona do nadajnika, wytwarza w otoczeniu stacji bazowej pole elektromagnetyczne o rozkładzie przestrzennym takim, jak wynika to z jej charakterystyki promieniowania (oczywiście z dokładnością co do wszelkich występujących zjawisk propagacyjnych). W pewnym sensie można zatem użyć określenia, że taki rozkład pola ma charakter quasi-statyczny. Typowa antena zapewnia pokrycie całego sektora jedną szeroką wiązką o rozpiętości w przybliżeniu 120°. Niezależnie od tego czy użytkownicy znajdujący się w zasięgu stacji korzystają z jej zasobów (np. prowadząc rozmowę), czy też nie, a w szczególnym przypadku jeśli w zasięgu stacji nie znajdują się żadni użytkownicy, rozkład pola i tak praktycznie nie zmienia się, a sygnał radiowy wciąż pokrywa cały sektor. Jest to rozwiązanie mało efektywne i prowadzi do zbędnego emitowania energii RF w środowisku.

Pierwszy krok w kierunku zmiany koncepcji budowy anten sektorowych stosowanych w stacjach bazowych telefonii komórkowej polegał na zastosowaniu systemu MIMO (ang. Multiple Input, Multiple Output). Antena MIMO, choć nadal zamknięta w pojedynczej obudowie, przeistacza się w dużo bardziej zaawansowaną technologicznie strukturę zawierającą co prawda więcej, ale za to mniejszych elementów, tworzących specjalny układ zwany szykiem antenowym. Dzięki temu pojawia się zupełnie nowa, dotychczas nie stosowana na szeroką skalę, funkcjonalność transmisji kilku strumieni danych w tym samym czasie. Zastosowanie systemu MIMO pozwala na wzrost niezawodności transmisji pomiędzy stacją bazową a użytkownikiem, a w efekcie zapewnia wyższą przepustowość i polepsza parametry połączenia. Warto wspomnieć, że anteny MIMO od dłuższego czasu są już stosowane w stacja bazowych 4G obsługujących system LTE. Typowo spotykane rozwiązania to MIMO 2×2 oraz MIMO 4×4, por. Rys. 2.

Rys. 2. Systemy antenowe typu MIMO 2×2 oraz MIMO 4×4

Modyfikacją rozwiązania MIMO są systemy antenowe:

• SU-MIMO (ang. Single User Massive Multiple Input, Multiple Output) pozwalające na jednoczesną transmisję wielu strumieni danych od stacji bazowej do jednego użytkownika, por. Rys. 3a;

• MU-MIMO (ang. Multiple User Massive Multiple Input, Multiple Output) pozwalające na jednoczesną transmisję wielu strumieni danych od stacji bazowej do wielu użytkowników, por. Rys. 3b.

Rys. 3. Systemy antenowe typu SU-MIMO (a) oraz MU-MIMO (b)

Sytuacja zmienia się jeszcze bardziej, jeśli szyk antenowy zostanie rozbudowany do setek lub nawet tysięcy elementów promieniujących. Powstaje wówczas skomplikowana struktura antenowa tworząca, z uwagi na bardzo dużą liczbę elementów działających w szyku, system Massive MIMO lub w skrócie mMIMO (ang. Massive Multiple Input, Multiple Output). Niewielkie rozmiary poszczególnych elementów promieniujących umożliwiają umieszczenie ich znacznej liczby wewnątrz pojedynczej obudowy. Przykładowe rozwiązania to mMIMO 8×8 (64 elementy), mMIMO 16×16 (256 elementów) lub mMIMO 64×64 (4096 elementów), por. Rys. 4.

Rys. 4. Przykładowe warianty systemów Massive MIMO (mMIMO)

Należy zauważyć, że obsługa wielu użytkowników w systemie mMIMO odbywa się jednocześnie z wykorzystaniem tych samych zasobów czasowo-częstotliwościowych. Podczas, gdy w konwencjonalnym systemie antenowym wielu użytkowników korzysta z jednego zasobu widmowego o ustalonej szerokości (por. Rys. 5a), to w systemie mMIMO każdy z użytkowników ma do dyspozycji taki zasób widmowy niezależnie (por. Rys. 5b). Efektem jest możliwość kilkukrotnego zwiększenia pojemność sieci.

Rys. 5. Dostępność zasobów widmowych: systemy klasyczny (a) oraz system mMIMO (b)

Szyk antenowy zbudowany z dużej liczba elementów antenowych, poprzez ich odpowiednie sterowanie, pozwala na praktyczną realizację kolejnej techniki antenowej mającej na celu adaptacyjne kształtowanie charakterystyki promieniowania (ang. beamforming) w taki sposób, aby była ona dostosowana do bieżących potrzeb. Sygnał radiowy nie jest rozprowadzany we wszystkich kierunkach w obrębie danego sektora, jak to ma miejsce w sieciach 2G/3G/4G, lecz zostaje skupiony w kierunku określonego użytkownika korzystającego z zasobów radiowych. Zatem, w przeciwieństwie do klasycznej anteny sektorowej pokrywającej sektor jedną szeroką wiązką, zastosowanie beamforming skutkuje tym, że sektor jest pokrywany nie przez jedną, lecz przez wiele wąskich wiązek, które mogą zmieniać swój kierunek. Podstawową zaletą takiego rozwiązania jest możliwość wysyłania sygnału radiowego w to miejsce, w którym znajduje się określony użytkownik – nawet w przypadku, gdy zmienia on swoje położenie, a więc jest w ruchu, por. Rys. 6. Występujący efekt "podążania" wiązki antenowej za użytkownikiem powoduje, że rozkład przestrzenny pola elektromagnetycznego w otoczeniu stacji bazowej ma charakter zmienny. Jednocześnie, patrząc od strony wykonania pomiarów PEM w środowisku, wszystko to stanowi poważne wyzwanie…

Rys. 6. Wiązki antenowe wysyłane w kierunku użytkowników

Dynamiczne kształtowanie charakterystyki promieniowania, dedykowane nowoczesnym systemom radiowym takim jak 5G, umożliwiające kierowanie sygnału radiowego w wybranych kierunkach, wywiera istotny wpływ na poziom energii RF emitowanej w środowisku. W pewnym uproszczeniu, sygnał radiowy jest wysyłany tylko wówczas, gdy jest taka potrzeba (użytkownicy wymagają dostępu do zasobów radiowych) i tylko w to miejsce, w którym aktualnie znajduje się użytkownik, por. Rys. 7a. Dla porównania – w sieciach 2G/3G/4G sygnał radiowy jest wysyłany w sposób ciągły i pokrywa cały sektor niezależnie od znajdujących się tam użytkowników i ich zapotrzebowania na dostęp do zasobów radiowych, por. Rys. 7b.

Rys. 7. Pokrycie sygnałem radiowym w sieci 5G z wykorzystaniem beamforming (a) oraz w sieciach 2G/3G/4G (b)

W sieci 5G, precyzyjniej mówiąc, w tych miejscach, w których nie będzie użytkowników lub użytkownicy nie będą korzystali z zasobów radiowych, anteny stacji bazowej będą nadawały sygnał tylko z pewną minimalną mocą, wymaganą do tego, aby np. zapewnić możliwość wykrycia nowego użytkownika lub umożliwić zestawienie połączenia. Takie rozwiązanie, z punktu widzenia oddziaływania pola elektromagnetycznego na otoczenie, można z pewnością nazwać pro-środowiskowym.

Możliwości systemu Massive MIMO zdecydowanie rosną w przypadku wykorzystania kształtowania charakterystyki promieniowania, czyli beamforming. Takie właśnie rozwiązanie jest uważane za fundamentalną technikę antenową dedykowaną dla nowych sieci 5G; ma kluczowe znaczenie dla ogólnej wydajności sieci i pozwala efektywnie spożytkować zalety dużej przepustowości fal milimetrowych. Stanowi ważny element rozwiązań technicznych zmierzających do zaspokojenia potrzeb związanych z projektowanymi sieciami 5G. Dzięki temu będzie można obsłużyć dynamicznie narastające zapotrzebowanie na transmisję danych, generowane zarówno przez użytkowników końcowych, jak i urządzenia M2M (ang. Machine to Machine) oraz IoT (ang. Internet of Things). Massive MIMO w połączeniu z beamforming pozwala również zmniejszyć problem potencjalnych kolizji skutkujących powstawaniem zakłóceń, występujący pomiędzy sygnałami radiowymi emitowanymi przez klasyczne anteny sektorowe.

 

---

Autor: Jakub Kwiecień, Rafał Pawlak – Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy